[发明专利]热或温条件下使用的钢构件及其生产方法

说明书

本发明涉及在热或温条件下使用的钢构件，特别是热作或温作的模具，并涉及其生产方法。

用于热或温锻造的模具一般主要由热作工具钢，如由JIS定义的SKD61、SKT₄等制造，需要更高耐久性的模具则由具有更好高温强度的高速钢，如SKD7、SKD8等或由其改进的钢制造。

目前的趋势一般是根据加工高精度和效率的要求将热作或温作模具进行表面处理，以使模具表面具有高耐磨性和抗表面磨损性并同时保持其韧性。施于这些模具的表面处理主要是离子法、盐浴法、气体法等一步氮化处理。

例如，日本专利公开No.7-138733公开了一种方法，该方法通过将模具离子氮化处理而产生抗热裂和抗塑流的钢模，然后将此模具在至多950℃温度下进行高频加热，以减少最外的、含高浓度氮化物的白色脆化层，并形成深3.0mm的氮扩散层。另外，日本专利公开No.57-54551公开了一种热作模具，该模具在低温(350-450℃)进行铁氮化，以防止表面磨损同时保持模具基体的韧性。但是，这些方法的作用与一般氮化法相比，模具寿命的增加只限于20-30％，因此，不认为这些方法对模具寿命有显著的改善。

另一趋势是精密成形，这导致更复杂形状工件的加工。精密成形在加工期间使加工材料产生更大的塑性流动，这增加工件和模具表面之间的摩擦，结果使模具的温度高于其700-900℃的转变温度，因而由于摩擦热而加速了模具表面软化。结果模具失去其固有性能，从而产生了不良的高温性能并加速模具损坏。

当对模具进行一步氮化处理，例如作为钢件最普通表面处理的离子氮化处理时，由于过热使所获得的氮化物部分分解，从而不能提供足够的效果。

除一步氮化处理外，日本专利公开No 4-228557推荐了一种用于在油中作业的，如建筑机械中的液压泵、马达等的活塞、液压缸之类的冷滑动件的硫氮化的方法和设备，以便改善其保持润滑油的性能。通过在200-350℃的二次热处理，该法在钢件上形成含硫化铁(FeS₂)的能高度保持润滑剂的作为最外表面层的表面层。

日本专利公开No.60-39155提出，通过加热时使硫化铵的分解气体和氨气接触铁制品，而形成主要由硫化铁(FeS₂)组成的第一层和氮化铁(Fe₄N)的第二层。但是，所获得的这些层可能是多孔的，因而提供了热裂的起始点和其扩展的路径。所以，由该技术生产的模具不适合在600℃或更高温度和高压下用于热加工。

Katagiri等人在The Japan Association of Metallurgy，(Vol.51，No.10(1987)，pp 930-934)中报道了在钢材料上用于形成硫化亚铁(FeS)的多孔表面最外层和含氧化铁(Fe₃O₄)的底表面层的硫氮化处理，这是通过使用无色硫化铵溶液，以在150ppm硫化氢气体和75％氨气在580℃进行1-6小时而实现的。但是，由于这种方法使用无色硫化铵溶液作原料，所获得的表面层中的硫与氧(S/O)的重量比小于0.5，所以不能充分降低模具表面和工件之间的摩擦系数。还有，由于在多孔层中可能有热裂纹的起始点和其扩展的路径，所以用Katagiri的方法生产的模具是不适于高温和高压下的塑性加工。

Momijizawa在Heat Treatment，Vol.36，No.6(1996)，pp 383-387中报道了除氮化物层外(在基体侧面上)还形成厚3-5μm，具有固体润滑作用的由FeS或Fe_1-xS构成的硫化层，以改善室温(20℃)抗表面磨损和耐磨性，这是通过使用供自H₂S/N₂瓶、纯N₂瓶、纯NH₃瓶和CO₂瓶的气体进行包括各种处理过程的气体氮化过程而实现的。所获得的钢的这种表面层具有从钢的基体按序的氮化层和有固体润滑作用的黑色硫化层。据报道，由于硫不象氮，基本上不与α-Fe形成固溶体，所以FeS或Fe_1-xS的硫化层限于钢的表面，因而不向其内部扩散。但是，如果将经受这种处理的模具用于高温作业，由于它们之间的热膨胀系数不同，硫化铁(FeS₂)和硫化亚铁(FeS或Fe_1-xS)很容易从氮化层上剥落。因此，由这种方法处理的模具不能用作热作或温作的模具。