[发明专利]热冲压用模具钢SDCM1热处理及表面处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及模具钢表面处理领域，具体涉及一种热冲压工艺用模具钢SDCM1的热处理及表面处理技术。

背景技术

通常按模具使用对象将模具钢分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢三大类。热冲压模具钢属于热作模具钢。随着汽车行业的高速发展，以及汽车轻量化需求的不断提高，热冲压成形工艺主要用于获得超高强度冲压件。在获得超高强度钢时，由于冷冲压成形工艺所需的成形力极大，容易导致模具损坏、设备震动，且还易产生破裂、起皱、反弹、尺寸精度不良等问题。因此，原有冷冲压成形工艺的不再满足技术和生产发展的需要，而热冲压成形工艺利用金属在高温状态下，其塑性和延展性迅速增加，屈服强度迅速下降。热冲压模具钢是近几十年使用量急剧上升和消耗最大的模具钢之一，它的工况条件比一般热作模具钢还更复杂。

钢板热冲压过程是将特殊的高强度钢板加热到奥氏体温度范围，快速移动到模具，快速冲压，在压机保压状态下通过布置有冷却回路的模具(而不是空气)对零件进行淬火冷却(并要保证一定的冷却速度)，最后获得超高强度冲压件(组织为马氏体，强度在1500MPa左右甚至更高)。在工作时，由于模具与加热的坯料直接接触，当炽热的金属放入热冲压模具型腔时，型腔表面急剧升温，且冲压和保压时表层产生压应力和压应变，这使得模具需要较好的热强性和热稳定性；在保压过程中通过带有冷却水道的模具对零部件淬火，为了使模具能很快地把钢板的热量带走和保证模具在服役过程中的精度，模具材料必需具有较大的导热系数和较小的热膨胀系数；当金属件取出时，型腔表面由于急剧降温而受到拉应力和拉应变作用，在这种交替变换温度的工况下模具极易产生热疲劳；并且热冲压模具钢在服役过程中，还要受到较大冲击载荷，因此模具需具备优良的韧性；为防止模具表面在服役过程中产生的拉毛，模具还需具有较高的硬度。另外，由于奥氏体化后钢板从炉内转移到模内过程中与氧气和水接触产生大量氧化皮，模具使用过程中脱落的碳化物颗粒等在模具与工件相对运动过程中产生磨损，要求模具有较好的耐磨性能。因此，复杂的工况要求热冲压模具材料具有较高的热导率、热强度、硬度、冲击韧性、耐磨性、淬透性和热稳定性和抗冷热疲劳性能等。

目前，我国最长使用的热冲压模具钢采用的是国家标准GB/T1299-2000中钢号为4Cr5MoSiV1（相当于北美标准H13钢）。这种热冲压模具钢的化学成分采用C0.32-0.45wt%、Cr4.75-5.50wt%、Mo1.20-1.75wt%、V0.80-1.20wt%、Si0.80-1.2wt%、Mn0.20-0.5wt%、P≤0.03wt%、S≤0.03wt%。目前，日本企业采用的是热作模具钢SKD61（相当于北美标准H13钢），瑞典热冲压模具供应商采用的是ORVAR，德国企业采用的是CR7V和1.2379。

热处理对模具钢的使用性能有着至关重要的影响。热处理决定了模具钢内部显微组织，从而确定了模具钢的强韧性。通过不同的热处理可以使模具获得所需的硬度，但其组织、性能可能有显著差别，要充分发挥模具钢合金元素的强韧作用，不同用途的不同模具钢就必须有相应的热处理工艺。等离子表面渗氮温度与热作模具钢的回火温度吻合的很好，与其他表面处理相比，它是一种成熟的技术，而且成本低、可靠性高。通过气氛、渗氮温度、时间可以很好的控制表面化合物层和扩散层的相组成以及它的性能。通过简单的渗氮处理，可以大大提高模具的使用寿命，具有非常高的性价比。

现有技术中也有模具钢的热处理技术，但是由于工艺的不完善，模具的化合物层存在脆性，会造成化合物层破碎脱落，模具的热疲劳性能不足，如专利申请201210146712.5。专利申请02115672.7公开了一种热作模具钢表面等离子体稀土处理方法，其主要特点在于混合稀土铈镧混合稀土合金离子注入提高热作模具钢的抗热疲劳性能，虽然热疲劳性能提高了，但是无论是离子注入设备还是稀土原料成本都非常昂贵，而且工艺很难控制，并不适用于大生产。离子注入用于模具有很大局限性，它对于复杂形状的凹凸表明不能处理，注入层很薄一般以纳米为单位进行计量，最大深度也只有0.1μm。

也有采用涂层技术的，如中国专利申请201210099323.1。由于金属陶瓷涂层与基体是全部不同的材料，基体材料与涂层之间有明显的界面并不是良好的冶金结合，而且涂层技术工艺非常复杂，对模具表面清洁度要求很高，对于小批量的模具使用尚可，不适用于大量的工业应用。有些热处理工艺需要纳米化处理，工艺流程较长，增加了成本。

常用的表面处理有渗碳和渗氮两种。渗碳和渗氮最大的区别就是介质不同，适用的钢也不同，渗碳适用于低碳钢，渗氮适用于中碳钢。