冷冲模具及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有耐磨涂层的冷冲模具及其制备方法，尤其涉及一种具有耐磨碳化物涂层复合冷冲模具及其制备方法，具体涉及一种应用于碳钢表面的耐磨碳化物涂层复合冷冲模具及其制备方法。
【背景技术】
[0002]冷冲模具，为主要用于制造对金属或非金属板材进行下料、冲孔用的凸模和凹模。当薄板放在凸模、凹模之间进行冲裁时，薄板在最初阶段产生变形，随着变形量的增加，薄板的下侧表面因受到大的拉应力而产生开裂。在使用过程中，随着凹模和凸模的磨损量的增加，其刃部的尖角逐步变为圆角，导致薄板下侧产生的拉应力降低，薄板厚度方向受到压缩，增加了被冲裁板料的加工硬化和变形、延迟了板料产生裂纹的时间，坯料切断后，其断口周围产生毛刺，随着模具磨损量的增加，工件的毛刺高度增加，当毛刺高度超过规定要求时，模具就需要更换或返修。
[0003]冷冲模具钢在工作时，由于被加工材料的变形抗力比较大，模具的工作部分承受很大的压力、弯曲力、冲击力及摩擦力。因此，冷冲模具的正常报废原因一般是磨损。冷冲模具在制造过程中，既需要模具表面或局部具有较高的硬度和耐磨性，又要使内部具有较好的韧性，而这种综合要求正是制约冷冲模具钢实际应用的瓶颈问题。所以也相应形成了一些适于做冷冲模具用的钢种，例如，发展了高耐磨、微变形冷冲模具用钢及高韧性冷冲模具用钢等。目如可选用制造冷冲t旲具的有尚速钢、超硬尚速或硬质合金等，但其综合性能有限，高的耐磨性与强的韧性不可兼得。冷冲模具使用过程中出现的过载失效、磨损失效及疲劳失效，其中只有磨损失效之后可以再次修复使用。因此，有必要利用表面工程技术对冷冲模具钢零部件进行表面改性或处理以提高其表面硬度和耐磨性，以使冷冲模具钢的潜在性能得以充分发挥。
[0004]碳化物材料的涂层是现阶段使用较多一种材料，其具有硬度高、耐磨损性能优越的特点，以涂层方式覆盖在金属合金基体表面可以提高由基体材料制备的零部件的耐磨性与寿命。碳化物材料具有硬度高、耐磨损性能优越的特点。其中WC是一种常见涂层材料，其有如下特点特性:
[0005](I)碳化钨具有高强度、高硬度及高模量；
[0006](2) WC韧性好、抗冲击载荷及抗磨性好，与基体结合具有较好的抗界面腐蚀能力，而且它与钢铁润湿性好，二者之间的润湿角为零；
[0007](3)其次，我国是钨的富产国，所以选择WC作为增强相在技术、经济和社会效益上都十分合适。因此，WC涂层被广泛地用作无肩冷热金属加工工具、切削刀具、各种模具、耐磨耐热耐蚀零件表面等。
[0008]目前金属材料表面涂层技术有:激光熔覆法、高温自蔓延烧结技术、粉末冶金技术、材料气相沉积技术(包括:化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD))等，但这些方法，存在生产设备要求苛刻、生产效率低、涂层结合强度低等不足。
[0009]因此如何在冷冲模具工作表面获得WC相的涂层，并且选择一种生产设备简单、工艺流程短的制备方法，获得与基体结合力好、不易脱落且力学性能、耐磨性能优异的涂层是亟待解决的问题。
【发明内容】
[0010]针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种冷冲模具，其工作部位的表面具有一种耐磨涂层，而模具基体为碳钢基体，该耐磨涂层为WC致密陶瓷层，其具有很高的硬度和很好的耐磨性和断裂韧性；并且进一步地，提供一种用于获得上述冷冲模具的制备方法。
[0011]进一步地，本发明还提供一种复合冷冲模具，其凹模刃口表面具有一种梯度复合涂层，所述梯度复合涂层为碳化物涂层，其优选被涂覆于冷冲模具基体表面，以提高其表面的耐磨性和断裂韧性，特别是碳钢表面，并且提供一种用于获得上述涂层的制备方法。
[0012]所述冷冲模具，在其凹模刃口表面具有耐磨涂层。
[0013]为实现本发明目的，本发明采用了如下技术方案:
[0014]一种冷冲模具，其凹模刃口表面具有耐磨涂层，该耐磨涂层包括WC致密陶瓷层，WC致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序的组织。
[0015]更优选地，沿WC致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为50-180 μm，优选为100-180 μπι ;优选地，其中WC的体积分数大于80%，优选大于85%，其粒径为10-50 μπι，优选为20-50 μmD
[0016]此外，本发明还提供一种冷冲模具，其凹模刃口表面具有梯度复合涂层，所述梯度复合涂层为碳化物涂层，包括依次呈梯度分布的WC致密陶瓷层、微米WC陶瓷层、WC与基体的融合层。
[0017]优选地，WC致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序的组织。
[0018]优选地，沿WC致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为50-180 μ m，优选为100-180 μπι;其中WC的体积分数大于80 %，优选大于85 %。优选地，WC粒径为10-50 μ m，优选为20-50 μ m。
[0019]进一步的，沿微米WC陶瓷层纵向剖面，其厚度为70-180 μm，优选为130-180 μπι ;优选地，其中WC的体积分数大于75%，优选大于80%，其粒径为5-30 μ m，优选为6_25 μ m。
[0020]更进一步，沿WC与基体的融合层纵向剖面，其厚度为60-300 μπι，优选为100-300 μ m ;优选地，其中WC的体积分数为20-80 %，优选为40-80 %，其粒径为1_20 μ m，优选为5-10 μπι。
[0021]优选地，梯度复合涂层总厚度为180-660 μπι;优选在330-660 μπι。
[0022]更优选地，冷冲模具基体组织根据热处理方式不同为珠光体、马氏体、铁素体、贝氏体、奥氏体和索氏体中的一种或几种；优选地，该梯度复合涂层被施加于碳钢表面。
[0023]本发明提供一种冷冲模具的制备方法，其凹模刃口表面具有耐磨涂层，包括如下步骤:
[0024]I)、先准备一钨板，优选地，其中钨的纯度控制在99.7-99.99% ;优选地，所述钨板的厚度控制在0.2-3mm ;更优选地，所述钨板先被加以表面处理；
[0025]2)、按照冷冲模具凹模尺寸制作冷冲模具凹模消失模，根据冷冲模具凹模的工作受力状况，其主要磨损的部位是凹模刃口表面，据此在凹模消失模的刃口表面固定钨板，然后在钨板表面固定外部碳源；优选地，用聚苯乙烯泡沫塑料制作冷冲模具凹模消失模；优选地，所述外部碳源为三级以上的石墨纸，纯度99%，厚度为0.1-0.35mm，使其与钨板紧密彡口口 ο
[0026]3)按照冷冲模具凹模尺寸，制作砂型；优选地，用CO2水玻璃硬化砂、覆膜砂、自硬树脂砂或潮模砂制作砂型。
[0027]4)、将碳钢基材冶炼为钢液；优选地，温度控制在1610_1630°C ；
[0028]5)、采用消失模真空吸铸工艺，将上述钢液浇入上述放置有冷冲模具凹模消失模、钨板和碳源的砂型内，待钢液冷却凝固后，取出铸件，清砂处理，获得冷冲模具凹模基体为碳钢，凹模刃口表面为碳钢与钨板的复合体；优选地，浇注温度控制在1610-1630°C;更优选地，浇注时间为40-50秒为宜；进一步优选地，一分钟后，在冒口补浇，室温冷却。
[0029]6)、将浇铸完得到的冷冲模具凹模复合体放入具有保护气氛的保温炉内保温，最后随炉冷却至室温，从而在凹模刃口表面形成耐磨碳化物涂层，而冷冷冲模具凹模基体仍为碳钢基体；
[0030]其中，耐磨碳化物涂层为WC致密陶瓷层。
[0031]优选地，通过控制步骤6)中保温时间、保温温度获得该WC致密陶瓷层；优选地，WC致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，
[0032]本发明提供一种冷冲模具的制备方法，其凹模刃口表面具有梯度复合涂层，包括如下步骤:
[0033]I)、先准备一钨板，优选地，其中钨的纯度控制在99.7-99.99% ;优选地，所述钨板的厚度控制在0.2-3mm ;更优选地，所述钨板先被加以表面处理；
[0034]2)、按照冷冲模具凹模尺寸制作冷冲模具凹模消失模，根据冷冲模具凹模的工作受力状况，其主要磨损的部位是凹模刃口表面，据此在凹模消失模的刃口表面固定钨板，然后在钨板表面固定外部碳源，使其与钨板紧密结合；优选地，用聚苯乙烯泡沫塑料制作冷冲模具凹模消失模；
[0035]3)按照冷冲模具凹模尺寸，制作砂型；优选地，用CO2水玻璃硬化砂、覆膜砂、自硬树脂砂或潮模砂制作砂型。
[0036]4)、将碳钢基材冶炼为钢液；优选地，浇注温度控制在1610_1630°C ；
[0037]5)、采用消失模真空吸铸工艺，将上述钢液浇入上述放置有冷冲模具凹模消失模、钨板和碳源的砂型内，待钢液冷却凝固后，取出铸件，清砂处理，获得冷冲模具凹模基体为碳钢，凹模刃口表面为碳钢与钨板的复合体；优选地，浇注温度控制在1610-1630°C;更优选地，浇注时间为40-50秒为宜；进一步优选地，一分钟后，在冒口补浇，室温冷却。
[0038]6)、将浇铸完得到的冷冲模具凹模复合体放入具有保护气氛的保温炉内保温，最后随炉冷却至室温，从而在凹模刃口表面形成梯度复合层，而冷冲模具凹模基体仍为碳钢基体；
[0039]7)所得的具有梯度复合涂层的冷冲模具凹模复合体被进一步热处理以获得更合适的基体组织。
[0040]优选地，钨板厚度为0.2-3mm ;若小于0.2mm，则钨板在浇注复合过程中就已经完全反应，不能获得WC致密陶瓷层，直接生成弥散分布WC颗粒；超过3mm则导致扩散距离增大，反应动力不足。
[0041 ] 优选地，通过严格控制步骤6)中保温温度与时间的关系，获得所述准单晶相WC致密陶瓷层。该陶瓷层呈现出较为明显的准单晶组织，光学显微镜下表现为晶界减少，影响断裂韧性的位错也相应减少，代之亚晶界增多，有效提高该陶瓷层的抗裂能力。
[0042]优选地，通过控制步骤6)中保温时间、保温温度获得该梯度复合涂层即碳化物涂层，所述碳化物涂层包括依次呈梯度分布的准单晶相WC致密陶瓷层、微米WC陶瓷层、WC与基体的融合层。
[0043]更优选地，保温温度、保温时间以及最终能够获得的梯度复合涂层的总厚度符合如下公式，
[0044]L = kTlogtl/2+b0
[0045]其中:
[0046]L 梯度复合涂层的总厚度(U m)，
[0047]k——是常数，取值为0-1，k乒0，
[0048]T 保温温度(K)，
[0049]t——保温时间(S)，
[0050]b0——初始厚度(μ m)，即钢液浇注后与钨板之间形成的复合层的厚度。