一种具有微米级碳化钨增强层的高速钢冷挤压凸模及其制备方法与流程

本发明属于冲压模具技术领域，具体涉及一种具有微米级碳化钨增强层的高速钢冷挤压凸模，本发明还涉及该高速钢冷挤压凸模的制备方法。

背景技术：

冲压模具是冲压生产必不可少的工艺装备，是技术密集型产品。冲压件的质量、生产效率以及生产成本等，与模具设计和模具配件的精密度质量等有着直接的关系。冷挤压凸模在工作时，不仅承受轴向冲击力的作用，又不可避免地承受径向力的作用，其单位压力可达制件毛坯材料强度极限的4~6倍。由于挤压时金属在型腔内流动，使凸模与凹模的工作面都承受剧烈的摩擦。这种摩擦和金属被挤压材料的剧烈变形，将模具表面的瞬间温度提高到达200~300 ℃，因此要求冷挤压凸模在长期工作时不得出现折断和弯曲疲劳断裂，并要求有较高的耐磨性和抗断裂能力。

冷挤压凸模的材质可以采用碳素工具钢、合金工具钢和高速钢等。碳素工具钢的淬透性低、耐磨性较差、淬火变形大，适于制造一些尺寸小、形状简单、轻负荷的冷挤压凸模。合金工具钢，例如Cr12MoV，热处理后硬度为60~62 HRC，具有高的耐磨性、淬透性、高热稳定性和高的抗压强度，但是，其组织中共晶碳化物的偏析和网状碳化物的存在，需要经过“改锻”工艺来改善。高速钢是最常用的材质，它具有模具钢中最高的硬度、耐磨性和抗压强度，承载能力很高。但选用单一材质的高速钢做冷挤压凸模时，由于其韧性较差，需要采用低温淬火工艺，以提高其韧性。

可以看出，以单一的碳素工具钢、合金工具钢或高速钢为材质，冷挤压凸模在硬度、强度与韧性的匹配上还存在矛盾，尚未达到强度与韧性的统一。因此，冷挤压凸模的主要失效形式主要有永久变形、断裂和破损。在原有单一材质冷挤压凸模的基础上，还需开发出兼顾良好耐磨性和韧性的新型冷挤压凸模。

碳化钨具有较高的比刚度、比模量、低热膨胀系数以及良好的热稳定性、耐磨性、尺寸稳定性及与钢铁材料良好的润湿性等优点，以其为增强体制备具有碳化钨增强层的冷挤压凸模，可以大幅度提高冷挤压凸模表面硬度和强度，同时利用原位反应碳化钨增强层与高速钢基体之间高的结合强度，实现冷挤压凸模韧性的提高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有微米级碳化钨增强层的高速钢冷挤压凸模，以解决现有高速钢冷挤压凸模易永久变形、易断裂、易破损的问题。

本发明的另一个目的是提供上述高速钢冷挤压凸模的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，一种具有微米级碳化钨增强层的高速钢冷挤压凸模，包括高速钢冷挤压凸模本体，所述高速钢冷挤压凸模本体的表面具有多个凹陷的管状体，所述高速钢冷挤压凸模本体的表面和所述管状体的内表面均具有微米级碳化钨增强层。

进一步地，所述管状体之间的间距为25μm～1000μm，所述管状体的管径为10μm～40μm，管状体的深度不大于20 μm。

进一步地，所述微米级碳化钨增强层的厚度为5μm～15μm，碳化钨增强层由碳化钨颗粒组成，碳化钨颗粒均匀分布在高速钢冷挤压凸模本体中，碳化钨颗粒的粒径为0.5μm～3.0μm，碳化钨颗粒的体积分数为70%～95%。

进一步地，所述高速钢冷挤压凸模本体的基体组织为马氏体、碳化物和残余奥氏体的组合。

一种具有微米级碳化钨增强层的高速钢冷挤压凸模的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：对高速钢冷挤压凸模本体进行表面处理，得到表面处理过的高速钢冷挤压凸模本体；

步骤2：利用激光打孔机对所述步骤1得到的表面处理过的高速钢冷挤压凸模本体进行激光打孔，然后进行酸洗，之后用水冲洗至中性，最后进行超声波清洗，得到清洗后的具有凹陷管状体的高速钢冷挤压凸模本体；

步骤3：将所述步骤2得到的清洗后的具有凹陷管状体的高速钢冷挤压凸模本体置于真空渗碳炉中在一定温度下进行渗碳，并保温一定时间，得到具有微米级碳化钨增强层的复合体；

步骤4：将所述步骤3得到的具有微米级碳化钨增强层的复合体进行退火、分级淬火与三次低温回火处理，得到具有微米级碳化钨增强层的高速钢冷挤压凸模。

进一步地，所述步骤1的表面处理具体为将高速钢冷挤压凸模本体表面用丙酮清洗干净。

进一步地，所述步骤2中激光打孔在真空条件或惰性气体保护下进行。

进一步地，所述步骤2中酸洗使用的酸液为体积浓度为300ml/L的盐酸、60ml/L的磷酸、120ml/L的双氧水、300ml/L的氢氟酸或200ml/L的硫酸中的任意一种，所述超声波清洗使用乙醇或丙酮。

进一步地，所述步骤3中真空渗碳炉中碳质量浓度为0.9%～1.0%，真空度不大于1×10⁴ Pa，渗碳温度为920℃～940℃，高速钢冷挤压凸模本体表面的单位面积内渗碳质量分数不超过0.5%，保温时间为10 min～35min。

进一步地，所述步骤4中在880℃下退火，保温3 h，然后在840℃预热，再在1280℃下加热分级淬火，分级温度为620℃，再在560℃下低温回火三次，回火保温时间均为1h。

本发明的有益效果是：发明一种具有微米级管状碳化钨增强层的高速钢冷挤压凸模，钨原子与碳原子在固态温度下反应生成碳化钨，并利用预先打好的孔的位置限制碳化钨的扩散，碳化钨颗粒与高速钢冷挤压凸模本体间为冶金结合，结合牢固，颗粒不易脱落，可通过控制渗碳工艺参数和激光打孔参数控制碳化钨增强相的颗粒体积分数、分布和形态，提高了现有高速钢冷挤压凸模的表面强度和硬度，提高了复合材料的耐热和耐磨性能，同时利用原位反应碳化钨增强层与高速钢基体之间高的结合强度，实现冷挤压凸模韧性的提高，解决高速钢冷挤压凸模易永久变形、易断裂、易破损的问题，且制备方法简单，易于实施。

附图说明

图1是本发明具有微米级碳化钨增强层的高速钢冷挤压凸模的结构示意图；

图2是本发明具有微米级碳化钨增强层的高速钢冷挤压凸模A区局部放大结构示意图；

图3是本发明具有微米级碳化钨增强层的高速钢冷挤压凸模B区局部放大结构示意图，即微米级管状碳化钨结构示意图。

图中，1. 高速钢冷挤压凸模本体，2. 碳化钨增强层，3. 碳化钨颗粒，4. 管状体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种具有微米级碳化钨增强层的高速钢冷挤压凸模，如图1~3所示，包括高速钢冷挤压凸模本体1，高速钢冷挤压凸模本体1的表面具有多个凹陷的管状体4，管状体4之间的间距为25μm～1000μm，管状体4的管径为10μm～40μm，管状体4的深度不大于20 μm，高速钢冷挤压凸模本体1的表面和管状体4的内表面均具有厚度为5μm～15μm微米级碳化钨增强层2，碳化钨增强层2中含有高体积分数的碳化钨颗粒3。碳化钨颗粒3的粒径为0.5μm～3.0μm，碳化钨颗粒3的体积分数为70%～95%，高速钢冷挤压凸模本体1的基体组织为马氏体、少量碳化物和极少量的残余奥氏体。

特别地说，本发明的一种具有微米级碳化钨增强层的高速钢冷挤压凸模基体材质是xW18Cr4V、xW14Cr4VMn、xW9Mo3Cr4V。

上述高速钢冷挤压凸模的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1：将高速钢冷挤压凸模本体表面用丙酮清洗干净，得到表面处理过的高速钢冷挤压凸模本体；

步骤2：利用激光打孔机在真空条件或惰性气体保护下对步骤1得到的表面处理过的高速钢冷挤压凸模本体进行激光打孔，然后进行酸洗，酸洗使用的酸液为体积浓度为300ml/L的盐酸、60ml/L的磷酸、120ml/L的双氧水、300ml/L的氢氟酸或200ml/L的硫酸中的任意一种，之后用水冲洗至中性，最后使用乙醇或丙酮进行超声波清洗，得到清洗后的具有凹陷管状体的高速钢冷挤压凸模本体；

步骤3：将步骤2得到的清洗后的具有凹陷管状体的高速钢冷挤压凸模本体置于真空渗碳炉中在一定温度下进行渗碳，真空渗碳炉中碳质量浓度为0.9%～1.0%，真空度不大于1×10⁴ Pa，渗碳温度为920℃～940℃，高速钢冷挤压凸模本体表面的单位面积内渗碳质量分数不超过0.5%，保温10 min～35min，得到具有微米级碳化钨增强层的复合体；

步骤4：将步骤3得到的具有微米级碳化钨增强层的复合体在880℃下退火，保温3 h，然后在840℃预热，再在1280℃下加热分级淬火，分级温度为620℃，再在560℃下低温回火三次，回火保温时间均为1h。之后，即得到具有微米级碳化钨增强层的高速钢冷挤压凸模。

本发明将激光打孔、渗碳和热处理工艺相结合，在高速钢冷挤压凸模表面得到微米级碳化钨增强层，且该增强层内具有凹陷的管状体；凹陷的管状体是由高体积分数的碳化钨颗粒与少量高速钢基体组成的。

渗碳温度选择920℃～940℃是因为，在940℃以上渗碳，一方面，碳在基体中的扩散系数会迅速升高，扩散速度过快，扩散深度增加，不利于碳化钨增强层中碳化钨体积分数的提高；另一方面，渗碳温度高于940℃，会使生成的碳化钨颗粒急速长大，导致力学性能下降。渗碳温度低于920℃，可降低扩散动力，基体表面碳浓度较低。

真空渗碳炉中碳质量浓度选择0.9%～1.0%是因为：碳质量浓度高于1.0%，碳在基体中的扩散速度加快，扩散深度增加，不利于碳化钨增强层中碳化钨体积分数的提高；碳质量浓度低于0.9%，基体表面碳浓度过低。

真空渗碳炉中保温时间选择10min～35min是因为：保温时间高于35min，碳化钨会集中向基体中扩散，不利于保持碳化钨增强层中碳化钨的高体积分数；保温时间低于10min，渗碳层中的碳不能完全反应，影响增强层的增强效果。

本发明的有益效果是：

1）在真空环境中利用激光打孔技术在高速钢冷挤压凸模本体表面实现微米级盲孔的制备，并可对其间距、深度、直径等进行调整；

2）高速钢冷挤压凸模本体与外碳源在加热、保温过程中，使钨原子与碳原子在固态温度下反应生成碳化钨，并利用预先打好的孔的位置限制碳化钨的扩散，实现微米级管状碳化钨增强高速钢冷挤压凸模的制备；

3）管状碳化钨增强体可以有效增加高速钢冷挤压凸模的表面复合厚度；

4）管状碳化钨内径为10～40μm，微观硬度可达到1850～2100 HV，高速钢冷挤压凸模硬度达到62~65 HRC，冲击韧性a_K可达到10～15 J/cm²，大幅度提高了高速钢冷挤压凸模的耐磨性能和综合使用性能。

5）管状碳化钨中的碳化钨颗粒与基体间为冶金结合，结合牢固，颗粒不易脱落。同时，可通过控制渗碳工艺参数和激光打孔参数控制碳化钨增强相的颗粒体积分数、分布和形态。基体的种类、合金化程度、形态分布等也可根据工况要求调节，达到增强相与基体相间的性能最佳匹配。

6）制备方法简单、易行，操作方便，便于实施。

实施例1

步骤1：将高速钢冷挤压凸模本体表面用丙酮清洗干净，得到表面处理过的高速钢冷挤压凸模本体；

步骤2：利用激光打孔机在真空条件下对步骤1得到的表面处理过的高速钢冷挤压凸模本体进行激光打孔，孔径为30μm，孔深为20μm，孔间距为1000μm；然后进行酸洗，酸洗使用的酸液为体积浓度为300ml/L的盐酸，之后用水冲洗至中性，最后使用乙醇进行超声波清洗，得到清洗后的具有凹陷管状体的高速钢冷挤压凸模本体；

步骤3：将步骤2得到的清洗后的具有凹陷管状体的高速钢冷挤压凸模本体置于真空渗碳炉中在920℃的温度下进行渗碳，真空渗碳炉中碳质量浓度为0.9%，真空度不大于1×10⁴ Pa，高速钢冷挤压凸模本体表面的单位面积内渗碳质量分数不超过0.5%，保温10 min，得到具有微米级碳化钨增强层的高速钢冷挤压凸模本体复合体；

步骤4：将步骤3得到的具有微米级碳化钨增强层的高速钢冷挤压凸模本体复合体在880℃下退火，保温3 h，然后在840℃预热，再在1280℃下加热分级淬火，分级温度为620℃，再在560℃下低温回火三次，回火保温时间均为1h，得到具有微米级碳化钨增强层的高速钢冷挤压凸模。

所得高速钢冷挤压凸模中，微米级管状碳化钨层的厚度为5μm左右，其组织包括粒径为0.5~1.2μm的颗粒状碳化钨和马氏体基体，碳化钨颗粒的体积分数为70%。管状碳化钨微观硬度为1850HV，高速钢冷挤压凸模的硬度为62HRC，冲击韧性a_K可达到15 J/cm²。

实施例2

步骤1：将热高速钢冷挤压凸模本体表面用丙酮清洗干净，得到表面处理过的高速钢冷挤压凸模本体；

步骤2：利用激光打孔机在惰性气体氩气保护下对步骤1得到的表面处理过的高速钢冷挤压凸模本体进行激光打孔，孔径为20μm，孔深为18μm，孔间距为25μm；然后进行酸洗，酸洗使用的酸液为体积浓度为300ml/L的氢氟酸，之后用水冲洗至中性，最后使用丙酮进行超声波清洗，得到清洗后的具有凹陷管状体的高速钢冷挤压凸模本体；

步骤3：将步骤2得到的清洗后的具有凹陷管状体的高速钢冷挤压凸模本体置于真空渗碳炉中在930℃的温度下进行渗碳，真空渗碳炉中碳质量浓度为1.0%，真空度不大于1×10⁴ Pa，高速钢冷挤压凸模本体表面的单位面积内渗碳质量分数不超过0.5%，保温20 min，得到具有微米级碳化钨增强层的高速钢冷挤压凸模本体复合体；

步骤4：将步骤3得到的具有微米级碳化钨增强层的高速钢冷挤压凸模本体复合体在880℃下退火，保温3 h，然后在840℃预热，再在1280℃下加热分级淬火，分级温度为620℃，再在560℃下低温回火三次，回火保温时间均为1h，得到具有微米级碳化钨增强层的高速钢冷挤压凸模。

所得高速钢冷挤压凸模中，微米级管状碳化钨层的厚度为9μm左右，其组织包括粒径为1.0~2.1μm的颗粒状碳化钨和马氏体基体，碳化钨颗粒的体积分数为82%。管状碳化钨微观硬度为1975HV，高速钢冷挤压凸模的硬度为63 HRC，高速钢冷挤压凸模的冲击韧性a_K可达到14 J/cm²。

实施例3

步骤1：将高速钢冷挤压凸模本体表面用丙酮清洗干净，得到表面处理过的高速钢冷挤压凸模本体；

步骤2：利用激光打孔机在惰性气体氩气保护下对步骤1得到的表面处理过的高速钢冷挤压凸模本体进行激光打孔，孔径为10μm，孔深为17μm，孔间距为350μm；然后进行酸洗，酸洗使用的酸液为体积浓度为200ml/L的硫酸，之后用水冲洗至中性，最后使用乙醇进行超声波清洗，得到清洗后的具有凹陷管状体的高速钢冷挤压凸模本体；

步骤3：将步骤2得到的清洗后的具有凹陷管状体的高速钢冷挤压凸模本体置于真空渗碳炉中在940℃的温度下进行渗碳，真空渗碳炉中碳质量浓度为0.94%，真空度不大于1×10⁴ Pa，高速钢冷挤压凸模本体表面的单位面积内渗碳质量分数不超过0.5%，保温35min，得到具有微米级碳化钨增强层的高速钢冷挤压凸模本体复合体；

步骤4：将步骤3得到的具有微米级碳化钨增强层的高速钢冷挤压凸模本体复合体在880℃下退火，保温3 h，然后在840℃预热，再在1280℃下加热分级淬火，分级温度为620℃，再在560℃下低温回火三次，回火保温时间均为1h，得到具有微米级碳化钨增强层的高速钢冷挤压凸模。

所得高速钢冷挤压凸模，微米级管状碳化钨层的厚度为15μm，其组织包括粒径为1.8~3.0μm的颗粒状碳化钨和珠光体基体，碳化钨颗粒的体积分数为95%。管状碳化钨微观硬度为2100HV，高速钢冷挤压凸模的硬度为65HRC，高速钢冷挤压凸模的冲击韧性a_K可达到10 J/cm²。

实施例4

步骤1：将高速钢冷挤压凸模本体表面用丙酮清洗干净，得到表面处理过的高速钢冷挤压凸模本体；

步骤2：利用激光打孔机在惰性气体氩气保护下对步骤1得到的表面处理过的高速钢冷挤压凸模本体进行激光打孔，孔径为40μm，孔深为18μm，孔间距为700μm；然后进行酸洗，酸洗使用的酸液为体积浓度为120ml/L的双氧水，之后用水冲洗至中性，最后使用乙醇进行超声波清洗，得到清洗后的具有凹陷管状体的高速钢冷挤压凸模本体；

步骤3：将步骤2得到的清洗后的具有凹陷管状体的高速钢冷挤压凸模本体置于真空渗碳炉中在935℃的温度下进行渗碳，真空渗碳炉中碳质量浓度为0.98%，真空度不大于1×10⁴ Pa，高速钢冷挤压凸模本体表面的单位面积内渗碳质量分数不超过0.5%，保温30 min，得到具有微米级碳化钨增强层的高速钢冷挤压凸模本体复合体；

步骤4：将步骤3得到的具有微米级碳化钨增强层的高速钢冷挤压凸模本体复合体在880℃下退火，保温3 h，然后在840℃预热，再在1280℃下加热分级淬火，分级温度为620℃，再在560℃下低温回火三次，回火保温时间均为1h，得到具有微米级碳化钨增强层的高速钢冷挤压凸模。

所得高速钢冷挤压凸模中，微米级管状碳化钨层的厚度为12μm，其组织包括粒径为1.4~2.6μm的颗粒状碳化钨和马氏体基体，碳化钨颗粒的体积分数为90%。管状碳化钨微观硬度为2060HV，高速钢冷挤压凸模的硬度为64HRC，高速钢冷挤压凸模的冲击韧性a_K可达到12 J/cm²。

本发明一种具有微米级碳化钨增强层的高速钢冷挤压凸模，其组织特征为微米级管状碳化钨均匀垂直分布于高速钢冷挤压凸模本体表面，内径为10～40μm，深度不大于20 μm，间距在25～1000μm范围内可调。碳化钨增强层的厚度为5～15μm，管状碳化钨的组织包括均匀分布的粒径为0.5～3.0μm的微米级碳化钨颗粒，体积分数为70%～95%。管状碳化钨微观硬度可达到1850～2100 HV；高速钢冷挤压凸模的高速钢冷挤压凸模的硬度达62~65 HRC，冲击韧性a_K可达到10～15 J/cm²。通过在高速钢冷挤压凸模本体表面制备微米级管状碳化钨增强体，可进一步提高高速钢冷挤压凸模的耐磨性能和耐高温性能，同时利用原位反应碳化钨增强层与高速钢基体之间高的结合强度，实现冷挤压凸模韧性的提高，解决高速钢冷挤压凸模易永久变形、易断裂、易破损的问题，且成本低廉，制备工艺简单。