[发明专利]一种在模具钢表面制备复合渗氮层的方法

说明书

本发明公开了一种在模具钢表面制备复合渗氮层的方法,所述方法首先采用气体爆炸与脉冲高压放电结合的脉冲高压爆炸技术对模具钢表面进行改性处理，使材料的表面形成马氏体细晶改性层，在改性层的基础上再进行气体渗氮，在模具钢表面形成复合渗氮层。该技术综合运用爆炸焰流与高压放电效应，使材料表面发生相变和晶粒细化，有利于加速气体渗氮过程中氮原子由表面向内部迁移，从而在更短时间内形成更厚的渗氮层。经本方法处理的模具钢表面可形成10‑100μm厚度的马氏体细晶改性层，使气体渗氮工艺中相同渗氮时间下渗氮层厚度提高10‑40%，使用寿命提高1‑3倍。本发明适用于模具钢的表面氮化处理，能够在机械、制造等领域广泛应用。

技术领域

本发明属金属材料技术领域，尤其是涉及一种在模具钢表面制备复合渗氮层的方法。

背景技术

模具工业的发展影响着一个国家的制造业水平。模具成型工艺代替传统切削加工工艺具有降低生产成本、提高生产质量以及最大程度的节约能源等优点。随着高强度钢、高温合金等高性能金属材料以及非金属材料与复合材料的应用日趋增多，对模具材料提出了更高的要求。对模具钢进行表面改性处理，是综合改善模具性能的关键。表面改性处理不仅能提高模具的表面性能，使模具材料的表面具有高硬度、耐蚀、抗粘结等性能，而且能使模具的芯部保持足够好的强韧性，这能提高模具的使用寿命、大幅度降低成本。气体渗氮是目前普遍采用的一种表面化学热处理方法，渗氮处理的工件一般均具有优异的耐磨性、耐蚀性、耐疲劳性以及耐高温等特性，模具钢经渗氮处理后的表面硬度可达到HV1000以上，且生产工艺简单、成本较低、对工件适应性强，目前普遍应用于国内外的工业生产中。但气体渗氮时间较长、渗层浅、渗氮后表面易形成含ε相的脆性连续氮化物层等问题一直受到人们广泛关注。

因此，开发一种新型的渗氮技术，使模具钢表面获得更优的综合机械性能、更好的耐磨性、更长的使用寿命，同时又能提高机械加工效率，降低生产成本，显得非常迫切和具有重要的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种能显著提高渗氮层的厚度、缩短渗氮时间、提高渗氮层的韧性，以提升耐磨性和使用寿命的在模具钢表面制备复合渗氮层的方法。

一种在模具钢表面制备复合渗氮层的方法，具体步骤如下：

A、脉冲电路和气体准备：采用电压为1-6kV、电容为800-1500μF、电感为30-60μH、频率为1-6Hz的脉冲电路；气体采用可燃性气体：丙烷、氧气、空气构成的混合气体；

B、安装：将模具钢固定在可移动的工作平台上；

C、气体燃烧爆炸：先向脉冲高压爆炸装置中的爆炸腔室通入空气，随后按比例1:2~1:6通入丙烷与氧气，丙烷流量为0.5-20 l/min，氧气流量为1-50 l/min，并启动点火装置，丙烷、氧气、空气构成的混合气体燃烧发生爆炸，形成爆炸焰流；

D、高压放电：启动电源，施加电压为1-6kV、脉冲频率为1-6Hz的高压电，使模具钢与电极间发生脉冲放电；

E、表面改性层制备：根据模具钢的形状，在X,Y,Z三维尺度上移动工作平台，保持爆炸腔室的腔口与模具钢需要渗氮的表面距离为20-200mm，设定工作平台的移动速度为1-50mm/s，在模具钢表面获得厚度均匀的马氏体细晶改性层；

F、渗氮前处理：将脉冲高压爆炸处理后的模具钢表面轻微打磨表层，打磨厚度0.009mm--0.012mm，使模具钢的表面平整，再使用酒精清洁干净模具钢的表面；

G、气体渗氮：将模具钢放入渗氮炉中，密封并向渗氮炉内通入纯氨气，氨气流量为500-2000l/h，渗氮的保温温度为400-600℃，保温时间为0-72h，炉压为20-50mm/H₂O，炉温冷却至150℃以下出炉，炉内保持正压，最终在模具钢经脉冲高压爆炸处理后的表面获得复合渗氮层。

模具钢表面的马氏体细晶改性层厚度为10~100μm。