热冲压用模具钢sdcm1热处理及表面处理方法
【专利摘要】本发明公开了一种热冲压用模具钢SDCM1热处理及表面处理方法，包括淬火和回火，该方法包括：真空热处理：所述淬火温度为1010-1040℃；回火两次，所述回火温度为580-610℃；表面等离子渗氮：电压：600-900V；气氛比值：NH3:Ar=1:6-10；炉压为133-1066Pa。本发明通过控制等离子渗氮气氛比值、渗氮时间、炉压、电压、渗氮温度等参数，得到无化合物层渗氮层。在提高模具表面硬度的同时，优化模具耐蚀性、耐磨性和防粘附性能。磨损后的模具，经修复和再次等离子渗氮可以重新投入使用，从而大大地提高模具的总使用寿命。设备和成本较低，而且工件形状、尺寸限制小，完全可以运用于实际生产。
【专利说明】热冲压用模具钢SDCM1热处理及表面处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及模具钢表面处理领域，具体涉及一种热冲压工艺用模具钢SDCMl的热处理及表面处理技术。
【背景技术】
[0002]通常按模具使用对象将模具钢分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢三大类。热冲压模具钢属于热作模具钢。随着汽车行业的高速发展，以及汽车轻量化需求的不断提高，热冲压成形工艺主要用于获得超高强度冲压件。在获得超高强度钢时，由于冷冲压成形工艺所需的成形力极大，容易导致模具损坏、设备震动，且还易产生破裂、起皱、反弹、尺寸精度不良等问题。因此，原有冷冲压成形工艺的不再满足技术和生产发展的需要，而热冲压成形工艺利用金属在高温状态下，其塑性和延展性迅速增加，屈服强度迅速下降。热冲压模具钢是近几十年使用量急剧上升和消耗最大的模具钢之一，它的工况条件比一般热作模具钢还更复杂。
[0003]钢板热冲压过程是将特殊的高强度钢板加热到奥氏体温度范围，快速移动到模具，快速冲压，在压机保压状态下通过布置有冷却回路的模具(而不是空气)对零件进行淬火冷却(并要保证一定的冷却速度)，最后获得超高强度冲压件(组织为马氏体，强度在1500MPa左右甚至更高)。在工作时，由于模具与加热的坯料直接接触，当炽热的金属放入热冲压模具型腔时，型腔表面急剧升温，且冲压和保压时表层产生压应力和压应变，这使得模具需要较好的热强性和热稳定性；在保压过程中通过带有冷却水道的模具对零部件淬火，为了使模具能很快地把钢板的热量带走和保证模具在服役过程中的精度，模具材料必需具有较大的导热系数和较小的热膨胀系数；当金属件取出时，型腔表面由于急剧降温而受到拉应力和拉应变作用，在这种交替变换温度的工况下模具极易产生热疲劳；并且热冲压模具钢在服役过程中，还要受到较大冲击载荷，因此模具需具备优良的韧性；为防止模具表面在服役过程中产生的拉毛，模具还需具有较高的硬度。另外，由于奥氏体化后钢板从炉内转移到模内过程中与氧气和水接触产生大量氧化皮，模具使用过程中脱落的碳化物颗粒等在模具与工件相对运动过程中产生磨损，要求模具有较好的耐磨性能。因此，复杂的工况要求热冲压模具材料具有较高的热导率、热强度、硬度、冲击韧性、耐磨性、淬透性和热稳定性和抗冷热疲劳性能等。
[0004]目前，我国最长使用的热冲压模具钢采用的是国家标准GB/T1299-2000中钢号为4Cr5MoSiVl(相当于北美标准H13钢)。这种热冲压模具钢的化学成分采用C0.32-0.45wt%、Cr4.75-5.50wt%、Mol.20-1.75wt%、V0.80-1.20wt%、S1.80-1.2wt%、Mn0.20-0.5wt%、P≤0.03wt%、S≤0.03wt%o目前，日本企业采用的是热作模具钢SKD61 (相当于北美标准H13钢)，瑞典热冲压模具供应商采用的是0RVAR，德国企业采用的是CR7V和1.2379。
[0005]热处理对模具钢的使用性能有着至关重要的影响。热处理决定了模具钢内部显微组织，从而确定了模具钢的强韧性。通过不同的热处理可以使模具获得所需的硬度，但其组织、性能可能有显著差别，要充分发挥模具钢合金元素的强韧作用，不同用途的不同模具钢就必须有相应的热处理工艺。等离子表面渗氮温度与热作模具钢的回火温度吻合的很好，与其他表面处理相比，它是一种成熟的技术，而且成本低、可靠性高。通过气氛、渗氮温度、时间可以很好的控制表面化合物层和扩散层的相组成以及它的性能。通过简单的渗氮处理，可以大大提高模具的使用寿命，具有非常高的性价比。
[0006]现有技术中也有模具钢的热处理技术，但是由于工艺的不完善，模具的化合物层存在脆性，会造成化合物层破碎脱落，模具的热疲劳性能不足，如专利申请201210146712.5。专利申请02115672.7公开了一种热作模具钢表面等离子体稀土处理方法，其主要特点在于混合稀土铈镧混合稀土合金离子注入提高热作模具钢的抗热疲劳性能，虽然热疲劳性能提高了，但是无论是离子注入设备还是稀土原料成本都非常昂贵，而且工艺很难控制，并不适用于大生产。离子注入用于模具有很大局限性，它对于复杂形状的凹凸表明不能处理，注入层很薄一般以纳米为单位进行计量，最大深度也只有0.1 μ m。
[0007]也有采用涂层技术的，如中国专利申请201210099323.1。由于金属陶瓷涂层与基体是全部不同的材料，基体材料与涂层之间有明显的界面并不是良好的冶金结合，而且涂层技术工艺非常复杂，对模具表面清洁度要求很高，对于小批量的模具使用尚可，不适用于大量的工业应用。有些热处理工艺需要纳米化处理，工艺流程较长，增加了成本。
[0008]常用的表面处理有渗碳和渗氮两种。渗碳和渗氮最大的区别就是介质不同，适用的钢也不同，渗碳适用于低碳钢，渗氮适用于中碳钢。
[0009]渗碳是目前应用最广泛的一种化学热处理方法。它是渗碳介质在工件表面产生的活性碳原子，经过表面吸收和扩散将碳渗入低碳钢或低碳合金钢工件表层，使其达到共析或略高于共析成分时的含碳量，以便将工件淬火和低温回火后，其表层的硬度、强度，特别是疲劳强度和耐磨性，较心部都有显著的提高，而心部仍保持一定的强度和良好的韧性。
[0010]渗碳方法
[0011](I)固体渗碳:粒状或膏状渗碳剂中渗碳；
[0012](2)液态介质渗碳:盐浴渗碳；
[0013](3)气体渗碳:有机含碳气氛中进行；
[0014](4)特殊渗碳:真空渗碳、离子渗碳、液态床渗碳；
[0015]渗氮方法:将氮渗入钢件表面的处理工艺称为钢的氮化或渗氮。
[0016]氮化能使钢件表面获得比渗碳更高的表面硬度(可高达HV950~1200)、耐磨性、疲劳强度、红硬性及抗咬合性。
[0017]氮化在钢件表面形成稳定的化合物层，所以氮化还可以提高钢件的抗蚀性。
[0018]氮化温度低,一般480~600C,常用560C,而且氮化后通常炉冷，因此氮化后工件变形很小。
[0019]但氮化周期长，一般几十甚至上百小时、成本高、氮化层较薄，一般0.5mm、且脆性较闻，使氣化件不能承受:太闻的接触应力和冲击载荷。
【发明内容】
[0020]因此，本发明要解决的技术问题在于，提供一种可以针对热冲压用模具材料SDCMl的热处理及表面处理方法，该方法可以提高模具钢热疲劳性能、工艺简单、易于规模化生产。
[0021]本发明的技术方案是，热冲压用模具钢SDCMl热处理及表面处理方法，包括淬火和回火，该方法包括:
[0022]a、真空热处理:所述淬火温度为1010_1040°C ;回火两次，所述回火温度为580-610 0C ；
[0023]b、表面等离子渗氮:电压:600-900V ;气氛质量比值:NH3:Ar=1:6-10 ;炉压为133-1066Pa。
[0024]以下是本发明各参数主要作用:
[0025]淬火温度1010_1040°C
[0026]该热冲压用模具钢为过共析钢，淬火温度较低时，回火后模具硬度过低；淬火温度较高时，奥氏体晶粒长大导致材料强度下降、韧性较差。最终选择淬火温度1020-1030°C，回火之后得到最适合热冲压成型的模具钢强韧配比。
[0027]回火温度580-61 (TC
[0028]经1010-1040°C淬火后，该模具钢奥氏体含碳量曾加，淬火后残余一定奥氏体量，这部分残余奥氏体经一次回火分解为马氏体，致使冲击韧性差。因此，本发明采用580-610°C回火两次达到稳定组织与调整硬度的目的。最终模具钢硬度为51-53HRC，7mmX 1mmX 1mm无缺口冲击功为以上180J。
[0029]电压600-900V
[0030]电压在等离子渗氮中主要等渗氮过程具有较大的促进作用，较高电压这可以提高轰击能量，从而增加渗氮层厚度和力高渗氮层硬度。
[0031]气氛比值
[0032]通过改变NH3 = Ar比值可以调节化合物层的厚度和扩散层相组成，氢气所占的比例越大，化合物层ε相层越薄。当Φ (NX 10%时，ε相被抑制，出现单一的Y相或者无化合物层。简单来说气氛比值是调节有无化合物层和扩散层相组成的主要因素。ε相和Υ相比，硬度高、脆性高。氮含量对渗层的最终性能影响明显。
[0033]炉压
[0034]离子渗氮炉炉压越高，辉光集中；炉压低时，辉光发散。实际操作中，炉压可以在133_1066Pa范围内调节。高压下，化合物层长ε相含量高，低炉压易获得Y相。在低于40Pa或者高于2660Pa的条件下离子渗氮，不易出现化合物层。
[0035]根据本发明的热冲压用模具钢SDCMl热处理及表面处理方法，优选的是，所述渗氮温度为520°C -550°C。
[0036]离子渗氮化合物层和扩散层温度随温度增加而显著增加，但对化合物层的组织结构没有太大影响，而且，即使在400°C的低温下，也有明显的渗氮效果，这也是离子渗氮的突出特点。表面硬度在一定范围内存在一个最大值，温度太低，硬化层太浅，强化效果欠佳；温度太高，渗层中的氮化物粗化，致使硬度下降。
[0037]根据本发明的热冲压用模具钢SDCMl热处理及表面处理方法，优选的是，所述NH3:Ar 的比值为 1:8-10.
[0038]进一步地,所述NH3: Ar的比值为1:9.
[0039]根据本发明的热冲压用模具钢SDCMl热处理及表面处理方法，优选的是，所述渗氮时间为4_9h。渗氮对ε相和Y相化合物层厚度的影响具有不同的规律。小于4h时，Y相化合物层厚度随时间延长而增厚，4h后基本保持不变，而ε相化合物层厚度随着渗氮时间延长持续增加。在一般情况下，渗氮时间的延长总是使化合物层厚度增加。而扩散层深度与时间之间复合抛物线关系，其变化规律与气体渗氮相似。另外炉内渗氮气氛一定时，化合物层的氮浓度不受渗氮时间影响。随着渗氮时间延长，扩散层加深，硬度梯度趋于平缓；但保温时间增加，引起氮化物组织粗化，导致硬度下降。
[0040]进一步地，所述渗氮时间为6_8h。
[0041]在一个优选的实施方案中，所述炉压为300_600Pa。该范围的炉压可以更好地控制表面处理效果。
[0042]本发明的热处理及表面处理方法适用于热冲压用模具钢SDCMl，模具钢SDCMl为近期开发的一种新型的热冲压模具钢，其化学元素重量百分含量为:c:0.43~0.48% ;S1:0.3 ~0.5% ；Mn:0.5 ~0.8% ；Cr:2.3 ~2.7% ；Mo: 1.9 ~2.4 % ;V:0.7 ~1.0 % ;P^0.03% ；S^ 0.03% ;其余为Fe和其他不可避免的杂质。该热冲压模具钢采用电渣重熔工艺、高温均匀化和超细化热处理工艺控制材料组织，从而起到对材料的强化作用，提高其性能指标。较之现有材料，该发明所述的热冲压模具钢的热导系数提高了 29.5%以上，热处理硬度提高了 7.5%以上，冲击韧性提高了 16.7%以上；并且该热冲压模具钢还具有成本低，综合性能闻等优点。
[0043]本发明通过控制等离子渗氮气氛比值、渗氮时间、炉压、电压、渗氮温度等参数，得到无化合物层渗氮层。在提高模具表面硬度的同时，优化模具耐蚀性、耐磨性和防粘附性能。与普通等离子渗氮得到从表面到心部依次为化合物层、扩散层工艺相比，本发明所得到无化合物层渗层避免了化合物层的脆性，提高了模具的热疲劳性能，避免的化合物层破碎脱落产生的硬质磨粒有利于模具抗磨。
[0044]本发明在一定温度下装炉保温一段时间、升温后再保温一定时间。并以工件有效厚度确定保温时间、继续升温保温。本发明采用工件有效厚度精确控制保温时间，并且采用真空高压气淬炉，冷却方式为气冷油淬至室温。并在热处理后，通过等离子渗氮工艺进一步提闻1旲具的使用寿命。
[0045]渗碳处理与本发明渗氮处理有许多相似之处，均通过活性原子扩散、与基体材料反应形成渐变的化合物或固溶体扩散层。本发明淬回火后渗氮工件可直接使用无需后处理，而渗氮处理包括非常复杂的淬火与回火工艺，而且回火温度较高，造成基体硬度较低。
[0046]本发明使热冲压模具钢通过热处理得到最合适热冲压生产的强韧配比，并且经过表面处理有效的提高模具表面强度，增强模具的耐磨性、耐蚀性、抗粘结性和抗热疲劳性能。磨损后的模具，经修复和再次等离子渗氮可以重新投入使用，从而大大地提高模具的总使用寿命。设备和成本较低，而且工件形状、尺寸限制小，完全可以运用于实际生产。
[0047]本发明的有益效果是，在热处理工艺上，本发明钢的特点是将热处理温度和时间严格控制，得到最适合热冲压成型的模具状态。在表面处理上，通过多因素复合控制，得到热冲压模具所需的韧性和硬度坚固的氮化层，即是较厚的白亮层和扩散层。在综合性能上，该用热冲压模具钢性能为:经1010-1040°C淬火，580-610°C两次回火后，硬度为51-53HRC，冲击功不小于180J;经表面等离子渗氮后，模具表面化合物层8-12 μ m，显微维氏硬度700-860HV0.3，渗层厚度200-250μπι。本发明模具钢硬度值比一般热处理Η13高出12个HRC,能提高模具的耐磨性能，能有效的防止模具表面的拉毛，经等离子表面渗氮后更能大大延长模具的使用寿命。磨损后的模具，经修模后可再次采用本发明的等离子渗氮工艺处理便可以重新投入使用，从而大大地提高模具的总使用寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0048]图1是热冲压用模具钢热处理后显微组织500 X结构图。
[0049]图2是为热处理及表面处理后模具钢截面金相200 X结构图。
[0050]图3为热处理及表面处理后模具钢截面扫描电镜及点成分分析。
[0051]图4为等离子表面渗氮扫面电镜照片和EDS能谱分析图。
[0052]图5为表层物象X射线衍射分析。
【具体实施方式】
[0053]实施例1
[0054]本实施例进行了一种热冲压用模具钢SDCMl进行热处理及表面处理，具体工艺下:
[0055](a)热处理工艺:1020°C淬火，595°C回火2h，然后595°C回火2h，在该热处理工艺条件下，硬度及冲击韧性:硬度值为51HRC，冲击韧性值为180J。淬回火态显微组织如图1所示。
[0056](b)等离子渗氮工艺:电压850V，气氛比值NH3:Ar=l:9，炉压450Pa，渗氮温度5300C，渗氮时间8h。渗氮后表面硬度为810HV0.3，渗层厚度225 μ m。
[0057]实施例2
[0058]本实施例一种热冲压用模具钢SDCMl进行热处理及表面处理，具体工艺下:
[0059](a)热处理工艺:1025°C淬火，600°C回火2h，然后600°C回火2h，在该热处理工艺条件下，硬度及冲击韧性:硬度值为51HRC，冲击韧性值为190J。
[0060](b)等离子渗氮工艺:电压880V，气氛比值NH3:Ar=l:9，炉压525Pa，渗氮温度540°C，渗氮时间8h。渗氮后表面硬度为860HV0.3，渗层厚度264μπι。图2为该实施例热处理及表面处理后模具钢截面金相200 X照片。
[0061]实施例3
[0062]本实施例进行了一种热冲压用模具钢SDCMl进行热处理及表面处理，具体工艺下:
[0063](a)热处理工艺:1030°C淬火，605°C回火2h，然后605°C回火2h，在该热处理工艺条件下，硬度及冲击韧性:硬度值为52HRC，冲击韧性值为200J。
[0064](b)等离子渗氮工艺:电压900V，气氛比值NH3:Ar=l:9，炉压450Pa，渗氮温度5500C，渗氮时间6h。渗氮后表面硬度为850HV0.3，渗层厚度190 μ m。图3为实施例3热处理及表面处理后模具钢截面扫描电镜及点成分分析；图4为等离子表面渗氮扫面电镜照片和EDS能谱分析；图5为实施例3表层物象X射线衍射分析。
[0065]实施例4
[0066]本实施例进行了一种热冲压用模具钢SDCMl进行热处理及表面处理，具体工艺下:
[0067](a)热处理工艺:1010°C淬火，585°C回火2h，然后585°C回火2h，在该热处理工艺条件下，硬度及冲击韧性:硬度值为52HRC，冲击韧性值为200J。
[0068](b)等离子渗氮工艺:电压650V，气氛比值NH3:Ar=l:8，炉压500Pa，渗氮温度5200C，渗氮时间5h。渗氮后表面硬度为850HV0.3，渗层厚度205 μ m。
[0069]实施例5
[0070]本实施例进行了一种热冲压用模具钢SDCMl进行热处理及表面处理，具体工艺下:
[0071](a)热处理工艺:1025°C淬火，585°C回火2h，然后585°C回火2h，在该热处理工艺条件下，硬度及冲击韧性:硬度值为51HRC，冲击韧性值为200J。
[0072](b)等离子渗氮工艺:电压380V，气氛比值NH3:Ar=l:6，炉压525Pa，渗氮温度5250C，渗氮时间8.5h。渗氮后表面硬度为840HV0.3，渗层厚度215 μ m。
[0073]热冲压技术在现代汽车产业中已经开始广泛应用，适用于制造汽车中对舒适性、安全性要求高、强度级别超高(1500Mpa左右)的零件，如保险杠、防撞梁、B柱及其加强件等，这些零件用传统的冲压工艺难以生产。
[0074] 热冲压技术中，热冲压模具是决定热冲压零件性能和影响热冲压生产质量及效率的重要因素 ，而热冲压模具钢性能及其热处理和表面处理技术又主要地影响了热冲压模具的质量，本专利在自主开发的热冲压模具用钢SDCMl基础上通过对热冲压用模具钢SDCMl热处理及表面处理技术的研究和应用，较好地提高了热冲压模具的性能和质量，延长了模具使用寿命，也相应较好地提高了热冲压零件质量和生产效率。可以将此技术推广应用到热冲压模具的制造和热冲压生产的模具维修保养中。
【权利要求】
1.热冲压用模具钢SDCMl热处理及表面处理方法，包括淬火和回火，其特征在于:该方法包括:a、真空热处理:所述淬火温度为1010-1040°C;回火两次，所述回火温度为580_610°C ； b、表面等离子渗氮:电压:600-900V;气氛质量比值:NH3: Ar=1:6-10 ;炉压为133-1066Pa。
2.根据权利要求1所述的热冲压用模具钢SDCMl热处理及表面处理方法，其特征在于，所述渗氮温度为520°C -550°C。
3.根据权利要求1所述的热冲压用模具钢SDCMl热处理及表面处理方法，其特征在于，所述NH3: Ar的比值为1:8-10。
4.根据权利要求3所述的热冲压用模具钢SDCMl热处理及表面处理方法，其特征在于，所述NH3:Ar的比值为1:9。
5.根据权利要求1所述的热冲压用模具钢SDCMl热处理及表面处理方法，其特征在于，所述渗氮时间为4-9h。
6.根据权利要求5所述的热冲压用模具钢SDCMl热处理及表面处理方法，其特征在于，所述渗氮时间为6-8h 。
7.根据权利要求1所述的热冲压用模具钢SDCMl热处理及表面处理方法，其特征在于，所述炉压为300-600Pa。
【文档编号】C21D1/18GK104178771SQ201310204897
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2013年5月28日 优先权日:2013年5月28日
【发明者】郭瑞泉, 徐伟力, 罗爱辉, 吴彦骏, 洪振军 申请人:宝山钢铁股份有限公司