[发明专利]一种高碳冷作模具钢表面耐磨强化处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是高碳冷作模具钢的表面耐磨处理技术，具体为高碳冷作模具钢表面钒碳硼耐磨层的制备方法，以提高冷作模具的使用性能与使用寿命。

背景技术

20世纪60年代以来，表面工程学蓬勃发展，为了满足日益快速发展的对材料表面特殊性能的高要求，现已开发了许多表面处理的新方法，其中由日本提出的采用熔盐浴在模具表面生成碳化物覆层的TD法成功的解决了很多模具的表面耐磨损问题。在该处理方法中，先把被处理的材料浸入处于大气环境的熔盐浴中，后续用油或空气进行冷却以强化基体。该处理盐浴由作为传质用的硼砂和含有碳化物形成元素如钒、铌、钛、铬等的混合物组成。

TD法自发明以后，七十年代就在日本得到迅速发展，应用范围也很广泛。因为TD处理能惊人地提高工具钢和硬质合金的耐磨性、抗刮削性，它在日本冷锻工业和世界上其它地方都得到了广泛的应用。人们在研究盐浴配方上下了很大的功夫，相继提出用以下四种类型盐浴进行渗钒:

1.硼砂盐浴

硼砂盐浴渗钒法是日本最初采用的方法，该法可使碳素工具钢和合金工具钢在含钒铁或V₂O₅及Al、Si、Ca等还原剂的硼砂浴中进行渗钒，在表面可形成几微米至几十微米的钒碳化合物层。该类盐浴具有密度大，盐浴偏析小，熔融硼砂可与金属表面的氧化物反应，可以清洁工件表面，促进覆层形成的优点。但该种类型的盐浴熔点较高，流动性差，残盐清洗困难，且对坩埚和夹具的腐蚀性较大而导致设备寿命低等缺陷。为了解决硼砂浴的流动性差的问题，新井透等采用电解法进行硼砂盐浴渗钒。此方法是将脱水硼砂装入石墨坩埚内，加热熔化后，再把钒铁合金条插入盐浴作阳极，坩埚作阴极，通电后使钒铁条内的钒原子逐渐溶入硼砂浴中，再渗入工件表面。这种方法渗速较TD法快，但需较多的附加设备，以便精确控制盐浴成分和保持电流密度恒定，对工艺条件要求十分严格，因此不利于推广应用。

例如：中国专利，专利申请号为201210380527.2 以及200910264038.9 公开的一种热辐射原位制备VC涂层的方法、一种冷作模具钢的表面强化处理方法。

2.中性盐浴

为了改善硼砂熔剂流动性、粘度、以及工艺处理温度偏高等问题，德国 Ulrich Baudis等人研制出一种中性盐浴方案。配方主要是以(50~ 100)wt. %的BaCl₂加碱金属或碱土金属卤化物为基盐，(1~30)wt. %钒粉或钒铁合金粉末为供钒剂，处理过程中要用机械搅拌，并需要通入氮气、氢气等气体作为保护气体。

中性盐浴配方克服了硼砂盐浴腐蚀性大的缺点，盐浴的流动性也比硼砂盐浴好得多，可降低处理温度，有利于减小变形，提高处理后工件的尺寸精度，而且残盐容易清洗。但是，这类盐浴去除工件表面金属氧化物的能力较弱，盐浴挥发较严重，各组分比重偏析较大，易形成盐浴分层，渗钒层的均匀性较差，被覆的VC层质量不稳定等缺点，很难得到具有实用性价值的较厚覆层。

3.混合盐浴

混合盐浴就是将硼砂和中性盐按一定比例混合起来的盐浴。此方法盐浴流动性好，减轻了工件粘盐和坩埚腐蚀，但盐浴比重偏析大，渗钒层质量不稳定，尚处于实验室研究阶段。

例如：中国专利公开号为CN102443810A 公开了一种冷作模具钢冲头表面强化处理方法，属于金属材料领域。具体步骤是：将精加工后的冷作模具钢冲头在真空下预热至500-600℃；然后将预热的冲头放入硼砂混合物盐浴中，硼砂混合物盐浴的组成为重量比V₂O₅为8-15％、Y₂O₃为6-12％、NaF为8-12％，其余为Na₂B₄O₇和不可避免的杂质；在850-1150℃的温度下保温1.0-15小时，在冲头表面通过扩散反应形成冶金结合的陶瓷层；将冲头在980-1200℃进行盐浴淬火，然后在300-500℃进行回火处理，保证冲头的尺寸精度稳定性。

目前如何解决混合盐浴渗钒层质量不稳定的问题，是制约混合盐浴能否广泛应用的关键问题。

发明内容

本发明为了解决现有技术的不足，提供了一种渗钒层组织致密，与基体具有良好的结合强度，耐磨损性、抗咬合性和抗剥落性优异，渗钒层质量稳定的高碳冷作模具钢表面耐磨强化处理方法。