一种模具钢表面非金属离子渗入的工艺方法
【专利摘要】本发明涉及金属表面改性的【技术领域】，一种模具钢表面非金属离子渗入的工艺方法，其包括下列工艺步骤：a.清洗模具表面，去污处理；b.预热模具，表面呈金黄色；c.非金属离子渗入模具，模具在氮化炉中的氮化盐内保温4-5小时；d.氧化模具，模具在氧化炉中氧化盐内保温30-50分钟；e.模具从氧化炉取出，自然冷却至常温；f.模具放入清水中浸泡30-50分钟后清洗凉干。本发明具有工艺步骤合理、操作简易，时间短、环保、可靠，抗剥落、不变形、不粘模，用普通外热式坩埚炉经济实用，在模具钢表面渗入[N]、[C]、[O]非金属离子，改变模具材料表面的组织结构，实现增强模具钢表面的耐磨性和抗疲劳性能，能提高模具的使用寿命。
【专利说明】一种模具钢表面非金属离子渗入的工艺方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及金属表面改性的【技术领域】，具体地说是一种模具钢表面非金属离子渗 入的工艺方法。
【背景技术】
[0002] 模具作为工业生产基础工艺装备，被称为"百业之母"，广泛用于汽车、航空航天、 船舶、石油、机电、家电、工具等领域，60-80%的零部件都是靠模具成型。我国是世界上最大 的工业制造国，模具消耗非常庞大，据不完全统计，每年约200万吨。模具的失效模式95% 以上是因磨损和疲劳损伤造成的，而决定模具品质好坏、寿命长短的主要技术因素有两个 方面，一是耐磨性能，二是抗疲劳性能。所以，提高模具耐磨性和抗疲劳性，具有显著的经济 价值和社会价值。
[0003] 目前，我国常用的模具钢材料如5CrNiMo、3Cr2W8V、H13等通常情况下只进行常规 淬火热处理，基材硬度HRC54-56,使用寿命有限。现有的表面处理方法主要有：（1)气体氮 化。由于气体组分分布不均匀，易造成质量稳定性差，另外气体氮化时间长，能耗高。（2)碳 氮共渗。模具表面脆性大，处理过程温度高，易产生变形，且变形量大。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是解决上述的常规淬火热处理寿命低，气体氮化性能不稳定，能耗 高，碳氮共渗变形大等缺陷，提供一种工艺设计合理、成本低、环保、操作简便的模具钢表面 非金属离子渗入的工艺方法，实现增强模具耐磨性能和抗疲劳性能，提高模具使用寿命，降 低生产成本。
[0005] 本发明所采取的技术方案是：一种模具钢表面非金属离子渗入的工艺方法，其特 征在于包括下列工艺步骤：
[0006] a.清洗模具表面：用喷沙方法除锈后，再用金属清洗剂清洗去除模具表面油污， 然后用清水进行清洗；
[0007] b.预热模具：将模具放入预热炉中，温度升至350-400°C，保温1-2小时，模具表面 呈现蓝紫色；
[0008] c.非金属离子渗入模具：氮化盐在氮化炉中溶解，温度升至530_550°C，将预热好 的模具放入氮化炉中，氮化炉温度回升至起始温度530-550°C后，保温4-5小时。
[0009] d.氧化模具：氧化盐在氧化炉中溶解，温度升至380-4KTC，将渗入好的模具从氮 化炉取出直接放入氧化炉中，保温30-50分钟；
[0010] e.将氧化好的模具从氧化炉中取出，在空气中自然冷却至常温；
[0011] f.将模具放入清水中浸泡30-50分钟后，清洗凉干即可。
[0012] 所述的氮化炉和氧化炉为普通外热式坩埚炉，氮化炉坩埚材料为钛，氧化炉坩埚 材料为304不锈钢。
[0013] 所述的氮化盐组分：碳酸钾K2C03和碳酸钠 Na2C03为42%，氰酸钾KCN0和氰酸钠 NaCNO 为 53 %，碳酸锂 LiC03 为 5 %。
[0014] 所述的氰酸根浓度大于33%，根据氮化盐的重量加入再生盐，每加入氮化盐重量 10%的再生盐，氰酸根浓度提高0. 5个百分点。
[0015] 所述的再生盐组分为：三聚氰胺为49%，三聚氰酸为31%，尿素为20%。
[0016] 所述的氮化炉中氮化盐溶液上半区和下半区的温度差小于等于5°C。
[0017] 所述的预热模具温度升至350-400°C，保温1-2小时，模具表面也可呈现草黄色。
[0018] 所述的氮化炉坩埚可以为316L不锈钢材料制成。
[0019] 增强模具钢表面耐磨抗疲劳非金属离子渗入后，经检测，化合物层厚度9-12 μ m， 扩散层的厚度250-300 μ m，表面硬度大于1000HVa ρ具有很好的耐磨性和抗疲劳性能。
[0020] 本工艺其目的在模具钢表面渗入[N]、[C]、[0]非金属离子，改变其材料表面的组 织结构，形成[N]、[C]、[0]扩散层，Fe 3N、Fe4N、Fe3C化合物层，和Fe304氧化膜层，渗层厚度 250-300 μ m,表面硬度大于1000Ηναι，实现增强模具钢表面的耐磨性和抗疲劳性能，从而大 幅度提高模具的使用寿命。本发明具有操作简易、可靠、环保、时间短；抗剥落、不变形、不粘 模；设备采用普通外热式坩埚炉、经济适用等特点。
[0021] 本发明的优点和效果：具有工艺步骤合理、操作简易，时间短、环保、可靠；抗剥 落、不变形、不粘模；设备采用普通外热式坩埚炉经济实用，适合工业化生产。在模具钢表面 渗入[N]、[C]、[0]非金属离子，改变模具材料表面的组织结构，实现增强模具钢表面的耐 磨性和抗疲劳性能，能提高模具的使用寿命。经试验验证，H13、5CrNiM 〇、3Cr2W8V经本发明 处理后模具使用寿命提高2倍以上。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1是H13非金属离子渗入金相组织图。
[0023] 图2是图1的断面硬度梯度表。
[0024] 图3是5CrNiMo非金属离子渗入金相组织图。
[0025] 图4是图3的断面硬度梯度表。
[0026] 图5是3Cr2W8V非金属离子渗入金相组织及图。
[0027] 图6是图5的断面硬度梯度表。
【具体实施方式】
[0028] 本发明的模具钢表面非金属离子渗入的工艺方法，包括下列工艺步骤：
[0029] a.清洗模具：用喷沙方法除锈后，再用金属清洗剂清洗去除模具表面油污，然后 再用清水进行清洗。
[0030] b.预热模具：将模具放入预热炉中，温度升至350-40(TC，保温1-2小时，使模具表 面呈现出蓝紫色或者草黄色即可转入到下个步骤。
[0031] C.非金属离子渗入模具：氮化盐在氮化炉中溶解并温度升至530-550°C，将预热 好的模具放入氮化炉中，此时氮化盐溶液温度有所下降，控制下降温度一般在40°C以内，若 下降温度超过40°C时应减少模具的装炉量，模具放入氮化炉后加热至温度回升到起始温度 530-550°C，保温4-5小时。作用是在模具表面形成化合层和扩散层。
[0032] 所述的氮化炉为普通外热式坩埚炉，氮化炉坩埚材料为钛或者316L不锈钢制成 的。
[0033] 本步骤中的氮化盐组分为：碳酸钾K2C03和碳酸钠 Na2C0342 %，氰酸钾KCN0和氰酸 钠 NaCN053 %，碳酸锂 LiC035 %。
[0034] 反应原理：
[0035] 4CNCT - C(V2+2CN-+C0+2 [N]
[0036] 2CN0>02 - C(V2+C0+2 [N]
[0037] 2C0 -C02+[C]
[0038] 活性[N]、[C]、[0]原子渗入金属表面内形成扩散层，改变金属表面组织结构，其 作用是提高金属表面抗疲劳性能。同时，[N]、[C]与Fe反应生成由Fe 3N、Fe4N、Fe3C组成的 非常致密的化合物层，其作用是增强表面耐磨性能。
[0039] 反应原理如下：
[0040] 3Fe+[N]-Fe3N
[0041] 4Fe+[N]-Fe4N
[0042] 3Fe+[C]-Fe3C
[0043] 本步骤的氮化盐中的氰酸根浓度要大于33%。当氰酸根浓度小于33%时，加入再 生盐提升氰酸根浓度。具体加入再生盐的重量计算方法，是根据坩埚中氮化盐的重量百分 比计算的，每加入氮化盐重量10 %的再生盐，氰酸根浓度大约可提高0. 5个百分点。通过加 入再生盐提升氰酸根浓度至33%以上，实现非金属离子渗入模具。
[0044] 所述的再生盐组分为：三聚氰胺49%，三聚氰酸31%，尿素20%。
[0045] 反应原理：将CN_转化为CN0'
[0046] 2CN>02 - CNCT+C0
[0047] 所述的氮化炉中氮化盐溶液上半区和下半区的温度差小于等于5°C。作用确保模 具表面渗层的均匀性。
[0048] d.氧化模具：将氧化盐溶解加温，氧化炉内氧化盐溶解温度升至380-4KTC，将渗 入好的模具从氮化炉取出直接放入氧化炉中，保温30-50分钟。作用是在模具表面形成氧 化膜，同时将模具表面附着的氰根转化为氰酸根。作用增强表面抗蚀性能，同时具有自润滑 作用，模具脱模性好。
[0049] 所述的氧化炉为普通外热式坩埚炉，氧化炉坩埚材料为304不锈钢制成的。
[0050] 本步骤中的氧化盐组分为：硝酸钠37%，碳酸钾31%，硫酸锶21%，亚硝酸钠 11%。
[0051] 反应原理：
[0052] 3Fe+202 - Fe304
[0053] e.将氧化好的模具从氧化炉取出，在空气中自然冷却至常温。
[0054] f.将模具放入清水中浸泡30-50分钟后，清洗凉干即可。
[0055] 模具钢表面经过非金属离子渗入后经检测，化合物层的厚度为9-12 μ m，扩散层的 厚度为250-300 μ m，表面硬度大于1000HVai，具有很好的耐磨性和抗疲劳性能。
[0056] 实施例1 :选取H13航空钳模具和相同材料和技术状态的试样件，试样件规格为 15 X 15 X 7mm ；
[0057] 实施例2 :选取5CrNiMo汽车连杆模具和相同材料和技术状态的试样件，试样件规 格为 15X15X7mm ;
[0058] 实施例3 :选取3Cr2W8V开口扳手模具和相同材料和技术状态的试样件，试样件规 格为 15X15X7mm。
[0059] 上述三种实施例按本发明中的工艺步骤进行，具体实施工艺步骤方案中的相关参 数如下表：
[0060]
【权利要求】
1. 一种模具钢表面非金属离子渗入的工艺方法，其特征在于包括下列工艺步骤： a. 清洗模具表面：用喷沙方法除锈后，再用金属清洗剂清洗去除模具表面油污，然后 用清水进行清洗； b. 预热模具：将模具放入预热炉中，温度升至350-400°C，保温1-2小时，至模具表面呈 现蓝紫色； c. 非金属离子渗入模具：氮化盐在氮化炉中溶解，温度升至530-550°C，将预热好的模 具放入氮化炉中，氮化炉温度回升至起始温度530-550°C后，保温4-5小时； d. 氧化模具：氧化盐在氧化炉中溶解，温度升至380-410 °C，将渗入好的模具从氮化 炉取出直接放入氧化炉中，保温30-50分钟； e. 将氧化好的模具从氧化炉中取出，在空气中自然冷却至常温； f. 将模具放入清水中浸泡30-50分钟后，清洗凉干即可。
2. 根据权利要求1所述的模具钢表面非金属离子渗入的工艺方法，其特征在于所述的 氮化炉和氧化炉为普通外热式坩埚炉，氮化炉坩埚材料为钛，氧化炉坩埚材料为304不锈 钢。
3. 根据权利要求1所述的模具钢表面非金属离子渗入的工艺方法，其特征在于所述的 氮化盐组分：碳酸钾K2C0 3和碳酸钠 Na2C03为42%，氰酸钾KCNO和氰酸钠 NaCNO为53%，碳 酸锂LiC03为5%。
4. 根据权利要求3所述的模具钢表面非金属离子渗入的工艺方法，其特征在于所述的 氰酸根浓度大于33%，根据氮化盐的重量加入再生盐，每加入氮化盐重量10%的再生盐，氰 酸根浓度提高〇. 5个百分点。
5. 根据权利要求4所述的模具钢表面非金属离子渗入的工艺方法，其特征在于所述的 再生盐组分为：三聚氰胺为49%，三聚氰酸为31%，尿素为20%。
6. 根据权利要求1所述的模具钢表面非金属离子渗入的工艺方法，其特征在于所述的 氮化炉中氮化盐溶液上半区和下半区的温度差小于等于5°C。
7. 根据权利要求1所述的模具钢表面非金属离子渗入的工艺方法，其特征在于所述的 预热模具温度升至350-400°C，保温1-2小时，模具表面也可呈现草黄色。
8. 根据权利要求1所述的模具钢表面非金属离子渗入的工艺方法，其特征在于所述的 氮化炉坩埚可以为316L不锈钢材料制成。
【文档编号】C23C8/38GK104087892SQ201410259141
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】郑渝江, 朱春财, 罗德福, 李信 申请人:威海久威材料科技有限公司