一种表面纳米化高强耐热钢模具的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及合金钢模具技术领域，尤其设及一种表面纳米化高强耐热钢模具的制 备方法。
【背景技术】
[0002] 20世纪的社会需求和技术发展形成了目前的高强度低合金钢、合金结构钢、超高 强度钢、不诱耐蚀钢、耐热钢、工具钢、模具钢、轴承钢等合金钢品种体系。进入21世纪后，高 层建筑、深层地下和海洋设施、大跨度重载桥梁、轻型节能汽车、石油开采和长距离油气输 送管线、军用舰艇、航空航天器、高速铁路设施、能源设施等国民经济的各个部口都需要性 能高、使用寿命长且成本低的新型合金钢。合金钢的开发现状可W描述为高性能化和多品 种化。
[0003] 提高模具钢的洁净度是模具钢的发展方向之一。研究表明：SKD 61(4灯SMoSiVl) 钢的憐含量从0.03%降低至0.01%后，可W使模具钢泽火回火后的冲击初性提高1倍。如果 憐含量进一步降低到0.001%，模具钢的冲击初性可提高2倍。降低模具钢的氧含量也可W 提高冲击初性。国外先进模具钢的氧含量小于15 X 1(T6。
[0004] 模具钢的另一个发展方向是提高等向性。改善模具钢横向初性和塑性，使之接近 纵向性能，模具的使用寿命就会大幅度提高。近20年来，各钢厂都在致力于开发高等向性模 具钢，如奥地利伯乐钢厂开发的ISODI SC、日本日立金属的I SOTROPY、日本高周波的 MICROFI肥D等。高等向性模具钢的横向初性和塑性值相当于纵向性能的80-95%，比一般模 具钢高40-60 %。
[0005] QPQ盐浴复合处理技术是近年来新发展起来的渗氮+氧化处理技术，实际上是一种 盐浴复合处理技术，其主体技术是盐浴渗氮或盐浴氮碳共渗，然后再加上一道氧化工序。 QPQ复合处理技术是由盐浴渗氮技术演变而来。QPQ盐浴复合处理技术是一种可W同时大幅 度提高金属表面的耐磨性、耐蚀性，而工件几乎不变形的新的金属表面强化改性技术。QPQ 盐浴复合处理技术则具有变形小、处理时间短，节能效果显著的优点。但传统的QPQ处理技 术具有渗层较薄，不能满足即承受摩擦磨损又需要具有良好耐蚀性的工件的需求。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术中存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种表面纳 米化高强耐热钢模具的制备方法。
[0007] 本发明目的是通过如下技术方案实现的：
[000引一种表面纳米化高强耐热钢模具的制备方法，包括W下步骤：
[0009] (1)将模具原料依次进行冶炼诱注、社制，得到低合金钢；
[0010] (2)将低合金钢加工，得到低合金钢模具；
[0011] (3)将低合金钢模具依次进行纳米化处理、氮化处理、氧化处理、浸油处理，得到表 面纳米化低合金钢模具。
[0012] 优选地，所述步骤(1)中的模具原料，由下述质量百分比的原料组成：
[0013] C0.2-0.5%、Cr3-7%、Si0.3-0.7%、Mn0.2-0.5%、Ni0.5-1.5%、Nb0.05-0.08%、胖0.5-1.5%，余量为化。
[0014] 优选地，所述步骤（1)中的冶炼诱注为依次进行电弧炉初炼，钢包RH处理和LF处 理。
[0015] 优选地，所述步骤（1)中的社制包括均热处理、社制和冷却，其中均热处理是在 1100-115(TC的加热炉中均热4-6小时，社制的开社溫度为950-1050°C、终社溫度为840-880 。(：，社制速度为3-5m/s，冷却速度为5-10°C/s、冷却后的终溫度为650-680°C。
[0016] 优选地，所述步骤(3)中的纳米化处理为利用功率为280-480W的鹤合金刀具WlO-20K监的频率冲击所述低合金钢模具的表面;冲击能量产生450-650MPA的压应力;使被冲击 部位得W强化从而实现纳米化，在表面形成纳米-微米梯度结构。
[0017] 优选地，所述步骤(3)中的氮化处理为将纳米化的低合金钢模具放入相锅，加热至 45(TC，加入氧化盐2-化g开始化盐至氧化盐烙化;再将基盐分次加入相蜗中，加热基盐全部 烙化后盐浴面上升到距离相蜗上部边缘120mm时停止加入基盐，加入调整盐l-2kg，在200-350 °C条件下运行2.化。
[0018] 优选地，所述步骤(3)中的氧化处理为将清洁无诱的相蜗吊入氧化炉中，仪表定溫 在22(TC，将工件放入相锅，热电偶紧靠相蜗壁;然后将氧化盐加入相蜗中，加到相蜗高度的 1/3,然后通电烙化;第一次加入的盐全部烙化W后再逐渐加入氧化盐，每次加入适宜数量， 边烙化，边加入，直到液面升高到距离相蜗上部边缘200mm为止;盐浴面达到要求的高度W 后，250°C保溫，使水分大量挥发，直到液面不再有气泡产生完全平静为止;然后盐浴溫度再 升溫15-20°C，如此循环，直到溫度升到350°C。
[0019] 优选地，所述步骤(3)中的浸油处理为将低合金钢模具放入机械油中浸泡l-2min。
[0020] 优选地，所述步骤（3)中氮化处理的调整盐由下述重量份的原料组成：C0(N出）2 30-50份、化2C〇3 5-15份、K2CO3 10-20份、畑此1 3-7份、K2SO3 1-5份、La2(C〇3)3 1-5份、Ncb (C〇3)3 1-5 份、Sm2(C〇3)3 1-5 份。
[0021] 优选地，所述步骤(3)中氮化处理的基盐由下述重量份的原料组成:C0(N此)2 95-105份、La2(0)3)3 1-5份、氧化错1-5份、二氧化铁1-5份、=氧化二铺1-5份。
[0022] 优选地，所述步骤（3)中氮化处理和氧化处理的氧化盐由40-60wt %化N03和40-60wt%KN〇3 组成。
[0023] 具体的，在本发明中：
[0024] CO(畑2)2,中文名称:碳酷二胺，CAS号：57-13-6。
[0025] Na2C〇3，中文名称:碳酸钢，CAS号:497-19-8。
[00%] K2CO3，中文名称:碳酸钟，CAS号:584-08-7。
[0027] 畑祀1，中文名称:氯化锭，CAS号：121化-02-9。
[002引 K2SO3，中文名称:亚硫酸钟，CAS号：10117-38-1。
[0029] NaN〇3,中文名称:硝酸钢，CAS号:7631-99-4。
[0030] KN03，中文名称:硝酸钟，CAS号：7757-79-1。
[00川 La2(C03)3,中文名称:碳酸铜，CAS号：6487-39-4。
[0032] Nd2(C〇3)3,中文名称:碳酸钦，CAS号：5895-46-5。
[0033] Sm2(C〇3)3,中文名称：碳酸衫，CAS号：38245-37-3。
[0034] 氧化错，分子式:Pr2〇3，CAS号：12037-29-5。
[0035] 二氧化铁，分子式:Ti〇2，CAS 号：1317-70-0。
[0036] S 氧化二铺，分子式:化2〇3，CAS号：12036-41-8。
[0037] 本发明表面纳米化高强耐热钢模具的制备方法，工艺简单，成本低廉，节能环保无 公害，工作环境清洁，外观美观等特点。该技术做到了原材料无毒、不污染环境，各项环保指 标经环保部口测定均达到国家标准，同时使金属表面的耐磨性、抗腐蚀性及力学性能硬度 强度都有更大幅度的提高。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合实施例对本发明做进一步的说明，W下所述，仅是对本发明的较佳实施 例而已，并非对本发明做其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述掲示 的技术内容加 W变更为同等变化的等效实施例。凡是未脱离本发明方案内容，依据本发明 的技术实质对W下实施例所做的任何简单修改或等同变化，均落在本发明的保护范围内。
[0039] 实施例1
[0040] 表面纳米化高强耐热钢模具的制备方法，包括W下步骤：
[0041 ] (1)将模具原料依次进行冶炼诱注、社制，得到低合金钢；
[0042] a.冶炼诱注:将模具原料先进行电弧炉初炼，再进行钢包畑处理和LF处理，其中钢 包精炼时W4atm压力进行吹氣10分钟，W有利于杂质的上浮去除；
[0043] b.社制:包括均热处理、社制和冷却，其中均热处理是在1100°C的加热炉中均热5 小时，社制的开社溫度为1000°c、终社溫度为860°C，社制速度为4m/s，冷却速度为6°C/s、冷 却后的终溫度为660 °C。
[0044] (2)将步骤(1)得到的低合金钢加工成40mmX20mmX3mm的块状低合金钢模具；
[0045] (3)将块状低合金钢模具依次进行纳米化处理、氮化处理、氧化处理、浸油处理，得 到表面纳米化低合金钢模具。
[0046] a.纳米化处理：利用功率为480W的鹤合金刀具W15K监的频率冲击所述块状低合 金钢模具的表面;冲击能量产生600MPA的压应力;使被冲击部位得W强化从而实现纳米化， 在表面形成纳米-微米梯度结构；
[0047] b.氮化处理:将纳米化处理的块状低合金钢模具放入相锅，加热至450°C，加入氧 化盐3kg开始化盐至氧化盐烙化;再将基盐分次加入相蜗中，加热基盐全部烙化后盐浴面上 升到距离相蜗上部边缘120mm时停止加入基盐，加入调整盐化g，在220°C条件下运行2.化；
[0048] C.氧化处理:将清洁无诱的相蜗吊入氧化炉中，仪表定溫在22(TC，将工件放入相 锅，热电偶紧靠相蜗壁;然后将氧化盐加入相蜗中，加到相蜗高度的1/3,然后通电烙化;第 一次加入的盐全部烙化W后再逐渐加入氧化盐，每次加入适宜数量，边烙化，边加入，直到 液面升高到距离相蜗上部边缘200mm为止;盐浴面达到要求的高度W后，250°C保溫，使水分 大量挥发，直到液面不再有气泡产生完全平静为止;然后盐浴溫度再升溫20°C，如此循环， 直到溫度升到350°C;
[0049] d.浸油处理:将低合金钢模具放入L-AN32#全损耗系统用油(产品执行GB443-89标 准，购自济南优润化工有限公司）中浸泡2min，然后将油滴干。
[0化0]所述步骤（I)中的模具原料，由下述质量百分比的原料组成:C 0.4%、Cr 5.5%、 Si 0.5%、Mn 0.3%、Ni 0.9%、佩 0.07%、W 1.1%，余量为化。
[0051] 所述步骤（3)中氮化处理的调整盐由下述重量份的原料组成：C0(NH2)2 42份、 Na2C〇3 11份、K2CO3 15份、畑此1 5份、K2SO3 3份、La2(C〇3)3 2份、Nd2(C〇3)3 2份、Sm2(C〇3)3 2 份。
[0052] 所述步骤（3)中氮化处理的基盐由下述重量份的原料组成：C0(N出）2 98份、Las (C〇3) 3 2份、氧化错2份、二氧化铁2份、=氧化二铺2份。
[0053] 所述步骤(3)中氮化处理和氧化处理的氧化盐由50wt % NaN〇3和50wt % KN03组成。 [0054] 实施例2
[0055]与实施例1基本相同，区别仅仅在于:所述步骤(3)中氮化处理的调整盐由下述重 量份的原料组成：CO(畑2)2 42份、Na2C〇3 11 份、K2CO3 15份、畑此1 5份、K2SO3 3份、La2(C〇3)3 3份、Nd2(C〇3)3 3份。得到实施例2的表面纳米化高强耐热钢模具的制备方法。
[0056] 实施例3
[0057]与实施例1基本相同，区别仅仅在于:所述步骤(3)中氮化处理的调整盐由下述重 量份的原料组成：CO(畑2)2 42份、Na2C〇3 11 份、K2CO3 15份、畑此1 5份、K2SO3 3份、La2(C〇3)3 3份、Sm2(0)3)3 3份。得到实施例3的表面纳米化高强耐热钢模具的制备方法。
[0化引实施例4
[0059] 与实施例1基本相同，区别仅仅在于:所述步骤(3)中氮化处理的调整盐由下述重 量份的原料组成：CO(畑2)2 42份、Na2C〇3 11 份、K2CO3 15份、畑此1 5份、K2SO3 3份、Nd2(C〇3)3 3份、Sm2(0)3)3 3份。得到实施例4的表面纳米化高强耐热钢模具的制备方法。
[0060] 实施例5
[0061] 与实施例1基本相同，区别仅仅在于:所述步骤(3)中氮化处理的基盐由下述重量 份的原料组成:CO(N出)2 98份、Las (C〇3) 3 2份、氧化错3份、二氧化铁3份。得到实施例5的表 面纳米化高强耐热钢模具的制备方法。
[0062] 实施例6
[0063] 与实施例1基本相同，区别仅仅在于:所述步骤(3)中氮化处理的基盐由下述重量 份的原料组成:C0(N出)2 98份、Las(C〇3)3 2份、氧化错3份、；氧化二铺3份。得到实施例6的 表面纳米化高强耐热钢模具的制备方法。
[0064] 实施例7
[0065] 与实施例1基本相同，区别仅仅在于:所述步骤(3)中氮化处理的基盐由下述重量 份的原料组成:CO(N出)2 98份、Las (C〇3) 3 2份、二氧化铁3份、；氧化二铺3份。得到实施例7 的表面纳米化高强耐热钢模具的制备方法。
[0066] 测试例1
[0067] 对实施例1-7制得的低合金钢模具进行性能测试，氮化物有效渗层厚度的测量方 法及标准参见《GB/T 11354-2005钢铁零件渗层深度测定和金相组织检验》，测试结果见表 Io
[006引表1:性能测试结果表
[00691
[0070]比较实施例1与实施例2-4，实施例1 (
La2 (C〇3) 3、Ncb (C〇3) 3、Sm2 (C〇3) 3复配)光催化 降解性能明显优于实施例2-4(La2(C〇3)3、Nd2(C〇3)3、Sm2(C〇3)3中任意二者复配）。比较实施 例1与实施例5-7,实施例1(氧化错、二氧化铁、S氧化二铺复配)光催化降解性能明显优于 实施例5-7(氧化错、二氧化铁、=氧化二铺中任意二者复配）。
【主权项】
1. 一种表面纳米化高强耐热钢模具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 将模具原料依次进行冶炼浇注、乳制，得到低合金钢； (2) 将低合金钢加工，得到低合金钢模具； (3) 将低合金钢模具依次进行纳米化处理、氮化处理、氧化处理、浸油处理，得到表面纳 米化低合金钢模具； 所述步骤（1)中的模具原料，由下述质量百分比的原料组成:C 0.2-0.5%、Cr 3-7%、 Si 0·3-0·7%、Μη 0.2-0.5%、Ni 0.5-1.5%、Nb 0.05-0.08%、W 0.5-1.5%，余量为Fe。2. 如权利要求1所述的表面纳米化高强耐热钢模具的制备方法，其特征在于:所述步骤 (3)中氮化处理的调整盐由下述重量份的原料组成：CO(NH 2)2 30-50份、Na2⑶3 5-15份、 K2CO3 10-20 份、NH4C1 3-7 份、K2SO3 1-5 份、La2(C03)3 1-5 份、Nd2(C03)3 1-5 份、Sm2(C03)3 1-5份。3. 如权利要求1或2所述的表面纳米化高强耐热钢模具的制备方法，其特征在于:所述 步骤(3)中氮化处理的基盐由下述重量份的原料组成：CO(NH 2)2 95-105份、La2(C03)3 1-5 份、氧化镨1_5份、二氧化钛1-5份、二氧化二钺1-5份。4. 如权利要求1或2所述的表面纳米化高强耐热钢模具的制备方法，其特征在于:所述 步骤(3)中氮化处理和氧化处理的氧化盐由40-60wt % NaN03和40-60wt % KN〇3组成。
【专利摘要】本发明公开了一种表面纳米化高强耐热钢模具的制备方法，包括以下步骤：(1)将模具原料依次进行冶炼浇注、轧制，得到低合金钢；(2)将低合金钢加工，得到低合金钢模具；(3)将低合金钢模具依次进行纳米化处理、氮化处理、氧化处理、浸油处理，得到表面纳米化低合金钢模具；所述步骤(1)中的模具原料，由下述质量百分比的原料组成：C 0.2-0.5％、Cr 3-7％、Si 0.3-0.7％、Mn 0.2-0.5％、Ni 0.5-1.5％、Nb 0.05-0.08％、W 0.5-1.5％，余量为Fe。本发明工艺简单，成本低廉，节能环保无公害，工作环境清洁，外观美观等特点；各项环保指标经环保部门测定均达到国家标准，同时使金属表面的耐磨性、抗腐蚀性及力学性能硬度强度都有更大幅度的提高。
【IPC分类】C22C38/04, C22C38/02, C22C38/08, C21D7/06, C22C38/18, C22C38/12, C23C8/58
【公开号】CN105714203
【申请号】CN201610248148
【发明人】陈斌, 张荣福, 印玲, 赵亚红, 陆一鸣
【申请人】上海瀚氏模具成型有限公司