一种表面纳米化低合金钢模具的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种合金模具的制备方法，尤其是一种表面纳米化低合金钢模具的制 备方法。
【背景技术】
[0002] 高温条件下（通常指材料熔点的0. 3~0. 5倍以上的温度），具有抗氧化性和足 够高温强度以及良好的耐热性能的钢称为耐热钢，而耐热钢中最具代表性的一类是低合金 钢，例如我国的15CrMo即是一种典型的低合金钢，15CrMo因其良好的耐热性能、力学性能、 耐腐蚀性能而被广泛使用于锅炉、石油化工、煤转化、汽机轮缸体、火电、核电等使用条件苛 亥IJ、腐蚀介质复杂的大型设备的管道、容器、零部件等。
[0003] 一般的 15CrMo化学成分（质量分数）（％ )为：C0? 12 ~0? 18，Mn0? 40 ~0? 70， Si0? 17 ~0? 37,Cr0? 80~L10,Mo0? 40 ~0? 55,Ni彡 0? 30,S彡 0? 035,P彡 0? 035。 15CRM0的力学性能：拉力强度为440~640MPA，屈服点约235MPa，伸长率21%左右。
[0004] 然而随着现代工业的飞速发展，15CrMo耐热高强钢已经越来越难以满足工业设备 在强韧性、蠕变性、焊接性等方面更高的要求，优化合金成分、调整冶炼、乳制等生产工程中 的工艺参数日益成为人们对于改善15CrMo钢所关注的焦点。同时，由于要获得需要的优异 的耐磨性和耐疲劳性等，还需要对其进行渗碳淬火等热处理，而这往往使得产品产生一定 的形变而影响产品的尺寸精度。
[0005] 专利201110392208. 9中公开了一种低合金耐热高强钢构件的制备，以重量百分 比计，包含以下组分：C0? 09 ~0? 11，Si0? 06 ~0? 2,Mn0? 06 ~0? 35,CrL3 ~L5,Mo 0? 35 ~0? 45,P彡 0? 009,S彡 0? 006,Ni0? 2 ~0? 4,Cu0? 01 ~0? 08,V0? 3 ~0? 4,Nb 0. 1~0. 2,W0. 2~0. 5,Ti0. 005~0. 02,余量为Fe和不可避免的杂质。该构件的室温 抗拉强度为610MPa，在600°C下、200MPa应力测试下其有效寿命约为15CrMo的两倍，热处理 后的表面硬度约为750HV，并且硬度超过500HV的硬化层厚度为0. 5mm，变形量小，都超过了 一般的15CrMo。但是其中金属含量较高，并不能适用于一些特殊的生产需求，且包含的金属 种类多，生产成本较高，可能产生的杂质成分也较复杂。
[0006] 金属纳米化QPQ技术是在保留原有普通氮化技术的基础上，增加纳米化工序的化 合物深度，使之由原来的10-25 ym加深到1000 ym以上。金属纳米化QPQ技术包括纳米深 度在1000ym以上的多级梯度超细纳米晶组织层，化合物层深度在100ym以上的渗氮工 序，或碳氮共渗及其随后的盐浴或气体的氧化工序，不需要原有的抛光工序。用该工艺对金 属进行处理不需要喷涂任何防护材料，并且工艺简单，成本低廉，节能环保无公害，工作环 境清洁，外观美观等特点。该技术做到了原材料无毒不污染环境，各项环保指标经环保部门 测定均达到国家标准，同时使金属表面的耐磨性、抗腐蚀性及力学性能硬度强度都有更大 幅度的提尚。
[0007] 现有的普通氮化技术在应用方面有很大的局限性，其原因就是化合物层深度太 浅，不能承受重负荷，不能承受高速负荷，不能承受较大的磨损。如果把化合物层深度成数 量级的提高，渗层的耐磨性也会得到相应的提高。金属纳米化QPQ技术可以用于比普通氮 化技术更大负荷、更高速度、磨损量更大的模具。普通氮化处理的模具不能承受磨削，但金 属纳米化QPQ技术处理的模具可以承受磨削，因此金属纳米化QPQ技术更可以用于高精度 精密模具。
【发明内容】
[0008] 针对现有技术中的问题问题，本发明的目的是提供一种表面纳米化低合金钢模具 的制备方法。
[0009] 本发明所采用的技术方案如下：
[0010] -种表面纳米化低合金钢模具的制备方法，其包括以下步骤：
[0011] (1)以重量百分比计，将如下配比的组分制备低合金钢：C0.08~0.12,Cr L20~L45,Si0? 40 ~0? 45,Mn0? 33 ~0? 38,Mo0? 17 ~0? 24,Ni0? 05 ~0? 15,Nb 0? 05~0? 08,Pd0? 15~0? 35,P彡0? 010,S彡0? 010,余量为Fe和不可避免的杂质；
[0012] (2)将步骤（1)得到的低合金钢加工成需要的尺寸和形状，制备得到低合金钢模 具；
[0013] (3)对步骤（2)制备的低合金钢模具进行表面纳米化处理。
[0014] 进一步的，
[0015] 步骤（1)所述制备低合金钢的方法包括如下步骤：
[0016] (11)冶炼浇注：顺次进行电弧炉初炼，钢包RH处理和LF处理，控制钢液符合限定 的化学成分后浇注，其中钢包精炼时以3atm以上的压力进行吹氩至少5分钟，以有利于杂 质的上浮去除；
[0017] (12)乳制：包括均热处理，乳制和冷却，其中均热处理是在1100~1150°C的加热 炉中均热约4~6小时，乳制的开乳温度为950~1050°C、终乳温度为840~880°C，乳制 速度为3~5m/s，冷却速度为5~10°C/s、冷却后的终温度为650~680°C。
[0018] 步骤（3)所述的表面纳米化处理包括如下步骤：
[0019] (31)纳米化：利用功率为280-480W的钨合金刀具以以10-20KHZ的频率冲击所述 低合金钢模具的表面；冲击能量产生450-650MPA的压应力；使被冲击部位得以强化从而实 现纳米化，在表面形成纳米-微米梯度结构；
[0020] (32)将纳米化的低合金钢模具放入坩锅，加热至450°C，加入氧化盐2~5kg开始 化盐至氧化盐熔化；再将基盐分次加入坩埚中，加热基盐全部熔化后盐浴面上升到距离坩 埚上部边缘120mm时停止加入基盐，加入调整盐1~2kg，在200~350°C条件下运行2. 5h;
[0021] (33)氧化：将清洁无锈的坩埚吊入氧化炉中，仪表定温在220°C，将工件放入坩 锅，热电偶紧靠坩埚壁；然后将氧化盐加入坩埚中，加到坩埚高度的1/3,然后通电熔化；第 一次加入的盐全部熔化以后再逐渐加入氧化盐，每次加入适宜数量，边熔化，边加入，直到 液面升高到距离坩埚上部边缘200mm为止；盐浴面达到要求的高度以后，250°C保温，使水 分大量挥发，直到液面不再有气泡产生完全平静为止；然后盐浴温度再升温15~20°C，如 此循环，直到温度升到350°C;
[0022] (34)浸油：将低合金钢模具放入机械油中浸泡1~2min，然后将油滴干。
[0023] 优选的，
[0024] 步骤（32)中所述调整盐由下述重量份的组分组成：Na2C0320-30份、K2C0320-30 份、NaCl20-30 份、KCl20-30 份、NH4Cl10-20 份、Ce2C032-4 份、BeO2-4 份。
[0025] 步骤（32)和（33)中所述氧化盐选自Na2C03、K2CO3或二者的混合物。
[0026] 步骤（32)中所述基盐选自氰酸钾和金属氧化物的混合物。
[0027] 进一步优选的，步骤（32)中所述基盐所述基盐包括下述重量份的组分：氰酸钾 80-100 份、Ce2C03l-3 份、ZrO2O. 5-1. 5 份、CeO2O. 5-1. 5 份。
[0028] 本发明中，步骤（31)的纳米化过程产生的纳米-微米梯度结构能显著地提高金属 材料的综合服役性能和服役行为。金属材料经过表面纳米化加工后，表纳米晶之间形成体 积分数为100%的界面为元素扩散提供了理想的通道，能显著的加快扩散的动力学过程，使 的金属材料表面的氮化处理更容易进行，处理效果显著；纳米化也可以采用本领域常规的 其他方式进行，比如ZL03111200. 5 (气固双相流冲击金属材料表面纳米化装置及其应用）、 ZL200510029205. 3 (超声波高能表面机械加工的金属表面纳米化方法）等专利中公开的纳 米化方法均适用于本发明。
[0029] 本发明的表面纳米化低合金钢模具耐热性和耐蚀性都得到了提高，同时减少了合 金的种类，是杂质成分更简单、易控制，氮化物有效渗层厚度也显著增加。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合实施例对本发明作进一步描述。
[0031] 实施例1
[0032] 按照如下步骤制备实施例1的表面纳米化低合金钢模具：
[0033] (1)以重量百分比计，将如下配比的组分制备低合金钢：C0.09,Cr1.45,Si 0? 40,Mn0? 33,Mo0? 17,Ni0? 15,Nb0? 05,Pd0? 15,P0? 002,S0? 002,余量为Fe和不可 避免的杂质；
[0034] (11)冶炼浇注：顺次进行电弧炉初炼，钢包RH处理和LF处理，控制钢液符合限定 的化学成分后浇注，其中钢包精炼时以3atm以上的压力进行吹氩至少5分钟，以有利于杂 质的上浮去除；
[0035] (12)乳制：包括均热处理，乳制和冷却，其中均热处理是在1150°C的加热炉中均 热约5小时，乳制的开乳温度为1000°C、终乳温度为850°C，乳制速度为4m/s，冷却速度为 5°C/s、冷却后的终温度为680°C。
[0036] (2)将步骤⑴得到的低合金钢加工成40mmX20mmX3mm的块状低合金钢模具；
[0037] (3)对步骤⑵制备的低合金钢模具进行表面纳米化处理；
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