[发明专利]热作模具钢表面等离子体稀土处理方法

说明书

                         技术领域

本发明属于等离子体稀土材料在热模钢中的应用，具体涉及稀土金属材料的等离子体化和热作模具钢。

                         背景技术

在物质的等离子体状态下，由于等离子体的高温特性，粒子具有很高的活化能，粒子之间发生化学反应的几率比常规化学反应大很多，并能进行常规状态下无法发生的化学反应，这样就能获得非常独特的效果。同时，当高能等离子体撞击物体表面时，经常导致物体表面微观构形发生很大变化，由此也能产生特定的结构和性质。

目前，在离子注入方面，国内外均采用单一纯金属离子注入形式或几种单一纯金属复合形式离子注入，未见采用合金的形式离子注入。也有采用钇离子注入H13钢以提高其抗氧化的报道。但没有将混合稀土合金离子注入到H11、ASSAB8407钢、H13钢或者4Cr2MoWVNi钢、3Cr2W8V钢、5CrNiMo钢、4CrW2Si钢、4Cr5MoSiV钢、5CrMnMo钢、CrWMn钢、甚至45^#钢、60^#钢的报道，更没有关于将AlRE合金注入到热作模具表面的报道。

虽然有些热作模具钢材料中也含有微量的稀土元素，但这些稀土元素是在冶炼时有意熔炼到模具钢中，用来提高模具钢材料的力学性能、高温性能及其它性能的，即：稀土金属进入模具钢材料的方式为冶炼，其稀土金属元素浓度受固溶度的限制。而采用稀土离子注入的方式，稀土离子在模具钢表面的浓度可以远远超过固溶度的限制。

金属材料在极限强度以下，长期承受交变负荷的作用，在不发生显著塑性变形的情况下而突然断裂的现象，称之疲劳。在热循环和交变负荷条件下，金属材料在不发生显著塑性变形的情况下而突然开裂的现象，称之热疲劳。热作模具工作时环境实际上是处于不断的升温——冷却工作环境下，即处于热循环条件下。但由于各类热作模具工作环境不同，受其影响的大小也不同。Z195109743等公开的金属表面处理的方法，是针对提高挤压模表面的磨擦性能，以增加挤压模的寿命。这种模具在工作时受热循环和交变负荷的影响要小得多，它主要受摩擦的影响，注塑模受热循环的影响更小，模具发生热疲劳失效的几率很小。该方法不能适用于工作时热循环和交变负荷大的精密锻造模、压铸模。

精密锻造模、压铸模均属于热作模具类，与其它热作模具不同，它们有一个共同的特点就是，长期工作在热循环条件下，模具的使用寿命主要受材料的热疲劳影响。根据调查统计，压铸模具产生失效的原因中，钢材热疲劳约占70％，模具失效形式多为网状龟裂。对于精密锻造模具，钢材热疲劳也是其主要的失效原因，模具失效形式一般为崩裂和变形。因此，对于热作模具来说，对模具的抗热疲劳性、高温强度、高温硬度、抗热裂方面的要求要比对其耐磨性、耐腐蚀性的要求更重要些。

以精密锻造来说，它是一种使用压力机进行闭式模锻的现代先进加工方法，被加工零件毛坯一次成形，锻造节拍快，生产效率高，锻件形状与表面质量要求严格。根据其锻造工艺特性，模具承受的载荷较大，这就要求模具具有更高的高温强度、韧性、热稳定性、高温硬度。由于生产节拍快和每个零件锻完后都必须对模具直接进行水冷却，因而精密锻造模具在工作过程中，是处于温度快速升高和急剧降低的高速循环之中，模具表面压应力和拉应力在不停地快速转换，应力大小又超过模具钢材料的屈服极限，不停地产生压缩变形和拉伸变形，模具表层的成百上千次的压缩变形和拉伸变形，必将产生热疲劳，因此，对锻造模具来说，必须具有较高的抗热疲劳的能力，以免因热疲劳裂纹使模具过早破裂。对于压铸，开始生产时，模具表面从室温快速升温超过250℃，模具表面局部膨胀产生压应力，而且当压铸件被顶出脱模，采用脱模剂对模具喷涂冷却时，模具表面应力又转换为拉应力，在模具表层产生一次压缩变形和拉伸变形，多次的热循环，必将产生热疲劳，从而导致压铸模网状龟裂。目前尚未发现通过离子注入的方法以提高精密锻造模、压铸模抗热疲劳性能的专利和文献公开。

                         发明内容

本发明的目的在于在热作模具特别是精密锻造模具和压铸模表面制造一种新功能结构材料，以提高热作模具在高温条件下，抗热疲劳性、高温强度、高温硬度、抗热裂等方面的性能，从而大大提高热作模具的使用寿命。具体做法为在热作模具表面生成一层等离子体稀土热模钢新材料，使得该新材料具有一些独特的性质。