一種模具鋼表面非金屬離子滲入的工藝方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及金屬表面改性的【技術(shù)領(lǐng)域】，一種模具鋼表面非金屬離子滲入的工藝方法，其包括下列工藝步驟：a.清洗模具表面，去污處理；b.預(yù)熱模具，表面呈金黃色；c.非金屬離子滲入模具，模具在氮化爐中的氮化鹽內(nèi)保溫4-5小時(shí)；d.氧化模具，模具在氧化爐中氧化鹽內(nèi)保溫30-50分鐘；e.模具從氧化爐取出，自然冷卻至常溫；f.模具放入清水中浸泡30-50分鐘后清洗涼干。本發(fā)明具有工藝步驟合理、操作簡(jiǎn)易，時(shí)間短、環(huán)保、可靠，抗剝落、不變形、不粘模，用普通外熱式坩堝爐經(jīng)濟(jì)實(shí)用，在模具鋼表面滲入[N]、[C]、[O]非金屬離子，改變模具材料表面的組織結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)模具鋼表面的耐磨性和抗疲勞性能，能提高模具的使用壽命。
【專利說(shuō)明】一種模具鋼表面非金屬離子滲入的工藝方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及金屬表面改性的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說(shuō)是一種模具鋼表面非金屬離子滲 入的工藝方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 模具作為工業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)工藝裝備，被稱為"百業(yè)之母"，廣泛用于汽車(chē)、航空航天、 船舶、石油、機(jī)電、家電、工具等領(lǐng)域，60-80%的零部件都是靠模具成型。我國(guó)是世界上最大 的工業(yè)制造國(guó)，模具消耗非常龐大，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年約200萬(wàn)噸。模具的失效模式95% 以上是因磨損和疲勞損傷造成的，而決定模具品質(zhì)好壞、壽命長(zhǎng)短的主要技術(shù)因素有兩個(gè) 方面，一是耐磨性能，二是抗疲勞性能。所以，提高模具耐磨性和抗疲勞性，具有顯著的經(jīng)濟(jì) 價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。
[0003] 目前，我國(guó)常用的模具鋼材料如5CrNiMo、3Cr2W8V、H13等通常情況下只進(jìn)行常規(guī) 淬火熱處理，基材硬度HRC54-56,使用壽命有限。現(xiàn)有的表面處理方法主要有：（1)氣體氮 化。由于氣體組分分布不均勻，易造成質(zhì)量穩(wěn)定性差，另外氣體氮化時(shí)間長(zhǎng)，能耗高。（2)碳 氮共滲。模具表面脆性大，處理過(guò)程溫度高，易產(chǎn)生變形，且變形量大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是解決上述的常規(guī)淬火熱處理壽命低，氣體氮化性能不穩(wěn)定，能耗 高，碳氮共滲變形大等缺陷，提供一種工藝設(shè)計(jì)合理、成本低、環(huán)保、操作簡(jiǎn)便的模具鋼表面 非金屬離子滲入的工藝方法，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)模具耐磨性能和抗疲勞性能，提高模具使用壽命，降 低生產(chǎn)成本。
[0005] 本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：一種模具鋼表面非金屬離子滲入的工藝方法，其特 征在于包括下列工藝步驟：
[0006] a.清洗模具表面：用噴沙方法除銹后，再用金屬清洗劑清洗去除模具表面油污， 然后用清水進(jìn)行清洗；
[0007] b.預(yù)熱模具：將模具放入預(yù)熱爐中，溫度升至350-400°C，保溫1-2小時(shí)，模具表面 呈現(xiàn)藍(lán)紫色；
[0008] c.非金屬離子滲入模具：氮化鹽在氮化爐中溶解，溫度升至530_550°C，將預(yù)熱好 的模具放入氮化爐中，氮化爐溫度回升至起始溫度530-550°C后，保溫4-5小時(shí)。
[0009] d.氧化模具：氧化鹽在氧化爐中溶解，溫度升至380-4KTC，將滲入好的模具從氮 化爐取出直接放入氧化爐中，保溫30-50分鐘；
[0010] e.將氧化好的模具從氧化爐中取出，在空氣中自然冷卻至常溫；
[0011] f.將模具放入清水中浸泡30-50分鐘后，清洗涼干即可。
[0012] 所述的氮化爐和氧化爐為普通外熱式坩堝爐，氮化爐坩堝材料為鈦，氧化爐坩堝 材料為304不銹鋼。
[0013] 所述的氮化鹽組分：碳酸鉀K2C03和碳酸鈉 Na2C03為42%，氰酸鉀KCN0和氰酸鈉 NaCNO 為 53 %，碳酸鋰 LiC03 為 5 %。
[0014] 所述的氰酸根濃度大于33%，根據(jù)氮化鹽的重量加入再生鹽，每加入氮化鹽重量 10%的再生鹽，氰酸根濃度提高0. 5個(gè)百分點(diǎn)。
[0015] 所述的再生鹽組分為：三聚氰胺為49%，三聚氰酸為31%，尿素為20%。
[0016] 所述的氮化爐中氮化鹽溶液上半?yún)^(qū)和下半?yún)^(qū)的溫度差小于等于5°C。
[0017] 所述的預(yù)熱模具溫度升至350-400°C，保溫1-2小時(shí)，模具表面也可呈現(xiàn)草黃色。
[0018] 所述的氮化爐坩堝可以為316L不銹鋼材料制成。
[0019] 增強(qiáng)模具鋼表面耐磨抗疲勞非金屬離子滲入后，經(jīng)檢測(cè)，化合物層厚度9-12 μ m， 擴(kuò)散層的厚度250-300 μ m，表面硬度大于1000HVa ρ具有很好的耐磨性和抗疲勞性能。
[0020] 本工藝其目的在模具鋼表面滲入[N]、[C]、[0]非金屬離子，改變其材料表面的組 織結(jié)構(gòu)，形成[N]、[C]、[0]擴(kuò)散層，F(xiàn)e 3N、Fe4N、Fe3C化合物層，和Fe304氧化膜層，滲層厚度 250-300 μ m,表面硬度大于1000Ηναι，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)模具鋼表面的耐磨性和抗疲勞性能，從而大 幅度提高模具的使用壽命。本發(fā)明具有操作簡(jiǎn)易、可靠、環(huán)保、時(shí)間短；抗剝落、不變形、不粘 模；設(shè)備采用普通外熱式坩堝爐、經(jīng)濟(jì)適用等特點(diǎn)。
[0021] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果：具有工藝步驟合理、操作簡(jiǎn)易，時(shí)間短、環(huán)保、可靠；抗剝 落、不變形、不粘模；設(shè)備采用普通外熱式坩堝爐經(jīng)濟(jì)實(shí)用，適合工業(yè)化生產(chǎn)。在模具鋼表面 滲入[N]、[C]、[0]非金屬離子，改變模具材料表面的組織結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)模具鋼表面的耐 磨性和抗疲勞性能，能提高模具的使用壽命。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，H13、5CrNiM 〇、3Cr2W8V經(jīng)本發(fā)明 處理后模具使用壽命提高2倍以上。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1是H13非金屬離子滲入金相組織圖。
[0023] 圖2是圖1的斷面硬度梯度表。
[0024] 圖3是5CrNiMo非金屬離子滲入金相組織圖。
[0025] 圖4是圖3的斷面硬度梯度表。
[0026] 圖5是3Cr2W8V非金屬離子滲入金相組織及圖。
[0027] 圖6是圖5的斷面硬度梯度表。

【具體實(shí)施方式】
[0028] 本發(fā)明的模具鋼表面非金屬離子滲入的工藝方法，包括下列工藝步驟：
[0029] a.清洗模具：用噴沙方法除銹后，再用金屬清洗劑清洗去除模具表面油污，然后 再用清水進(jìn)行清洗。
[0030] b.預(yù)熱模具：將模具放入預(yù)熱爐中，溫度升至350-40(TC，保溫1-2小時(shí)，使模具表 面呈現(xiàn)出藍(lán)紫色或者草黃色即可轉(zhuǎn)入到下個(gè)步驟。
[0031] C.非金屬離子滲入模具：氮化鹽在氮化爐中溶解并溫度升至530-550°C，將預(yù)熱 好的模具放入氮化爐中，此時(shí)氮化鹽溶液溫度有所下降，控制下降溫度一般在40°C以內(nèi)，若 下降溫度超過(guò)40°C時(shí)應(yīng)減少模具的裝爐量，模具放入氮化爐后加熱至溫度回升到起始溫度 530-550°C，保溫4-5小時(shí)。作用是在模具表面形成化合層和擴(kuò)散層。
[0032] 所述的氮化爐為普通外熱式坩堝爐，氮化爐坩堝材料為鈦或者316L不銹鋼制成 的。
[0033] 本步驟中的氮化鹽組分為：碳酸鉀K2C03和碳酸鈉 Na2C0342 %，氰酸鉀KCN0和氰酸 鈉 NaCN053 %，碳酸鋰 LiC035 %。
[0034] 反應(yīng)原理：
[0035] 4CNCT - C(V2+2CN-+C0+2 [N]
[0036] 2CN0>02 - C(V2+C0+2 [N]
[0037] 2C0 -C02+[C]
[0038] 活性[N]、[C]、[0]原子滲入金屬表面內(nèi)形成擴(kuò)散層，改變金屬表面組織結(jié)構(gòu)，其 作用是提高金屬表面抗疲勞性能。同時(shí)，[N]、[C]與Fe反應(yīng)生成由Fe 3N、Fe4N、Fe3C組成的 非常致密的化合物層，其作用是增強(qiáng)表面耐磨性能。
[0039] 反應(yīng)原理如下：
[0040] 3Fe+[N]-Fe3N
[0041] 4Fe+[N]-Fe4N
[0042] 3Fe+[C]-Fe3C
[0043] 本步驟的氮化鹽中的氰酸根濃度要大于33%。當(dāng)氰酸根濃度小于33%時(shí)，加入再 生鹽提升氰酸根濃度。具體加入再生鹽的重量計(jì)算方法，是根據(jù)坩堝中氮化鹽的重量百分 比計(jì)算的，每加入氮化鹽重量10 %的再生鹽，氰酸根濃度大約可提高0. 5個(gè)百分點(diǎn)。通過(guò)加 入再生鹽提升氰酸根濃度至33%以上，實(shí)現(xiàn)非金屬離子滲入模具。
[0044] 所述的再生鹽組分為：三聚氰胺49%，三聚氰酸31%，尿素20%。
[0045] 反應(yīng)原理：將CN_轉(zhuǎn)化為CN0'
[0046] 2CN>02 - CNCT+C0
[0047] 所述的氮化爐中氮化鹽溶液上半?yún)^(qū)和下半?yún)^(qū)的溫度差小于等于5°C。作用確保模 具表面滲層的均勻性。
[0048] d.氧化模具：將氧化鹽溶解加溫，氧化爐內(nèi)氧化鹽溶解溫度升至380-4KTC，將滲 入好的模具從氮化爐取出直接放入氧化爐中，保溫30-50分鐘。作用是在模具表面形成氧 化膜，同時(shí)將模具表面附著的氰根轉(zhuǎn)化為氰酸根。作用增強(qiáng)表面抗蝕性能，同時(shí)具有自潤(rùn)滑 作用，模具脫模性好。
[0049] 所述的氧化爐為普通外熱式坩堝爐，氧化爐坩堝材料為304不銹鋼制成的。
[0050] 本步驟中的氧化鹽組分為：硝酸鈉37%，碳酸鉀31%，硫酸鍶21%，亞硝酸鈉 11%。
[0051] 反應(yīng)原理：
[0052] 3Fe+202 - Fe304
[0053] e.將氧化好的模具從氧化爐取出，在空氣中自然冷卻至常溫。
[0054] f.將模具放入清水中浸泡30-50分鐘后，清洗涼干即可。
[0055] 模具鋼表面經(jīng)過(guò)非金屬離子滲入后經(jīng)檢測(cè)，化合物層的厚度為9-12 μ m，擴(kuò)散層的 厚度為250-300 μ m，表面硬度大于1000HVai，具有很好的耐磨性和抗疲勞性能。
[0056] 實(shí)施例1 :選取H13航空鉗模具和相同材料和技術(shù)狀態(tài)的試樣件，試樣件規(guī)格為 15 X 15 X 7mm ；
[0057] 實(shí)施例2 :選取5CrNiMo汽車(chē)連桿模具和相同材料和技術(shù)狀態(tài)的試樣件，試樣件規(guī) 格為 15X15X7mm ;
[0058] 實(shí)施例3 :選取3Cr2W8V開(kāi)口扳手模具和相同材料和技術(shù)狀態(tài)的試樣件，試樣件規(guī) 格為 15X15X7mm。
[0059] 上述三種實(shí)施例按本發(fā)明中的工藝步驟進(jìn)行，具體實(shí)施工藝步驟方案中的相關(guān)參 數(shù)如下表：
[0060]

【權(quán)利要求】
1. 一種模具鋼表面非金屬離子滲入的工藝方法，其特征在于包括下列工藝步驟： a. 清洗模具表面：用噴沙方法除銹后，再用金屬清洗劑清洗去除模具表面油污，然后 用清水進(jìn)行清洗； b. 預(yù)熱模具：將模具放入預(yù)熱爐中，溫度升至350-400°C，保溫1-2小時(shí)，至模具表面呈 現(xiàn)藍(lán)紫色； c. 非金屬離子滲入模具：氮化鹽在氮化爐中溶解，溫度升至530-550°C，將預(yù)熱好的模 具放入氮化爐中，氮化爐溫度回升至起始溫度530-550°C后，保溫4-5小時(shí)； d. 氧化模具：氧化鹽在氧化爐中溶解，溫度升至380-410 °C，將滲入好的模具從氮化 爐取出直接放入氧化爐中，保溫30-50分鐘； e. 將氧化好的模具從氧化爐中取出，在空氣中自然冷卻至常溫； f. 將模具放入清水中浸泡30-50分鐘后，清洗涼干即可。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模具鋼表面非金屬離子滲入的工藝方法，其特征在于所述的 氮化爐和氧化爐為普通外熱式坩堝爐，氮化爐坩堝材料為鈦，氧化爐坩堝材料為304不銹 鋼。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模具鋼表面非金屬離子滲入的工藝方法，其特征在于所述的 氮化鹽組分：碳酸鉀K2C0 3和碳酸鈉 Na2C03為42%，氰酸鉀KCNO和氰酸鈉 NaCNO為53%，碳 酸鋰LiC03為5%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的模具鋼表面非金屬離子滲入的工藝方法，其特征在于所述的 氰酸根濃度大于33%，根據(jù)氮化鹽的重量加入再生鹽，每加入氮化鹽重量10%的再生鹽，氰 酸根濃度提高〇. 5個(gè)百分點(diǎn)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的模具鋼表面非金屬離子滲入的工藝方法，其特征在于所述的 再生鹽組分為：三聚氰胺為49%，三聚氰酸為31%，尿素為20%。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模具鋼表面非金屬離子滲入的工藝方法，其特征在于所述的 氮化爐中氮化鹽溶液上半?yún)^(qū)和下半?yún)^(qū)的溫度差小于等于5°C。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模具鋼表面非金屬離子滲入的工藝方法，其特征在于所述的 預(yù)熱模具溫度升至350-400°C，保溫1-2小時(shí)，模具表面也可呈現(xiàn)草黃色。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模具鋼表面非金屬離子滲入的工藝方法，其特征在于所述的 氮化爐坩堝可以為316L不銹鋼材料制成。
【文檔編號(hào)】C23C8/38GK104087892SQ201410259141
【公開(kāi)日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月11日
【發(fā)明者】鄭渝江, 朱春財(cái), 羅德福, 李信 申請(qǐng)人:威海久威材料科技有限公司