冷作模具材料及適合于冷作模具材料的組合工藝的制作方法
【專利摘要】本發明的目的在于提供一種冷作模具材料及適合它的組合工藝，其使用壽命提高，尤其是在用于對超高強度鋼進行加工時其使用壽命提高。其中的冷作模具材料的特征在于，包括作為基體材料的SDC90鋼，該SDC90鋼通過1040-1080攝氏度的真空淬火，形成（Cr,Fe）7C3和（Cr,Fe）7C碳化物，并且以及通過兩次500-540攝氏度的高溫回火，產生二次硬化并增加回火穩定性，用非平衡磁控濺射工藝在SDC90鋼表面沉積CrTiAlN涂層，并用非平衡磁控濺射工藝附加離子鍍（GLC），其中SDC90鋼的化學成分（質量分數）為：0.9-1.0％C，1.0145％Si，0.2747％Mn，9.50-10.0％Cr，2.0％Mo,0.8-1.0％V，余量為Fe和雜質。
【專利說明】冷作模具材料及適合于冷作模具材料的組合工藝
【技術領域】
[0001]本發明涉及冷作模具材料，尤其涉及使用原材料為超高強度鋼(原材料抗拉強度達800MPa以上)為加工對象的冷作模具材料。
【背景技術】
[0002]根據環保節能減少排放要求的提高，汽車輕量化工作在持續的推進，先進高強度及超高強度鋼板越來越多的應用在汽車底盤零部件上，這一類汽車零部件的生產，特別是產業化生產，采用的是級進模具，每分鐘生產零件12件以上，每天的零部件產量達八千至上萬個沖次，這對模具材料提出了更嚴苛的要求，超高強度級別鋼汽車零件的生產特點是會在零件翻邊后增加側切道序，側切模塊除模具材料有更高要求外，對相應表面涂層也提出了更高的要求。 因此如何提高冷作模具材料是業內一項重要的研究課題。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在于提供一種冷作模具材料及適合它的組合工藝，其使用壽命提高，尤其是在用于對超高強度鋼進行加工時其使用壽命提高。
[0004]為實現所述目的的冷作模具材料，其特征在于，包括作為基體材料的SDC90鋼，該SDC90鋼通過1040-1080攝氏度的真空淬火，形成(Cr，Fe) 7C3和(Cr，Fe) 7C碳化物，并且以及通過兩次520攝氏度的高溫回火，產生二次硬化并增加回火穩定性，用非平衡磁控濺射工藝在SDC90鋼表面沉積CrTiAlN涂層，并用非平衡磁控濺射工藝附加離子鍍(GLC)，其中 SDC90鋼的化學成分(質量分數)為:0.9-1.0% C, 1.0145% Si, 0.2747% Mn, 9.50-10.0%Cr, 2.0% Mo, 0.8-1.0% V，余量為 Fe 和雜質。
[0005]為實現所述目的的適合于冷作模具材料的組合工藝，其特征在于，包括以下步驟:
[0006]將SDC90鋼作為冷作模具材料的基體材料，并將SDC90鋼加熱到1060攝氏度進行真空淬火，形成(Cr，Fe)7C3和(Cr，Fe)7C碳化物，其中SDC90鋼的化學成分(質量分數)為:
0.9-1.0% C，1.0145% Si, 0.2747% Mn, 9.50-10.0% Cr, 2.0% Mo, 0.8-1.0% V，余量為 Fe和雜質；
[0007]將SDC90鋼加熱到500-540攝氏度進行高溫回火，通過兩次該高溫回火以產生二次硬化并增加回火穩定性；以及
[0008]非平衡磁控濺射工藝在SDC90鋼表面沉積CrTiAlN涂層，再用非平衡磁控濺射技術附加離子鍍(GLC)。
[0009]目標生產零件的原材料是超高強度鋼，在冷作模具工作時，由于被加工材料的變形抗力較大，模具韌口部位承受很大的壓力，沖擊力，模具與坯料之間產生強烈的摩擦，導致過載失效，磨損失效和疲勞失效。本發明在SDC90鋼的基礎上，通過相應熱處理工藝的試驗，尋求最佳組合，得到了組合涂層前的理想的基底材料；由于存在產業化產品原材料是超高強度鋼及汽車產品的產量這兩個特殊性，本發明考慮的是冷作模具的壽命，尤其是嚴酷的工作狀況下的壽命，這樣冷作模具及高強度鋼汽車底盤零件才會有穩定的質量，高的生產效率，有競爭力成本，沒有涂層或只有CrTiAlN及GLC單涂層都不能達到這樣要求，并根據發明人的深入研究服役條件及大量試驗基礎，發明人的得到經驗是:狀況更糟，壽命甚至不足一百個零件，導致工件的粘料失效。因此發明人優化了組合，找到了軟硬搭配涂層方向，大幅度降低了摩擦系數，克服了在目標生產零件原材料是超高強度鋼時沖壓工藝中存在脫模、剝落的難題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1是本發明實施例中冷作模具材料的復合涂層的掃描電鏡圖。
【具體實施方式】
[0011 ] SDC90鋼(高強韌性冷作模具鋼)，其中SDC90鋼的化學成分(質量分數)為:
0.9-1.0% C，1.0145% Si, 0.2747% Mn, 9.50-10.0% Cr, 2.0% Mo, 0.8-1.0% V，余量為 Fe
和雜質。
[0012]本發明的實施例中，以SDC90鋼為基體材料，通過1040_1080°C (例如1060°C)真空淬火，形成(Cr，Fe) 7C3和(Cr，Fe) 7C碳化物。即將SDC90鋼加熱到臨界溫度Ac3 (亞共析鋼)或Acl (過共析鋼)以上的溫度1040-1080°C (例如1060°C )，保溫一段時間，使之全部或部分奧氏體化，然后 以大于臨界冷卻速度的冷速快冷卻，進行馬氏體(或貝氏體)轉變的熱處理工藝。淬火工藝可以是氣淬或者液淬，氣淬即將工件(SDC90鋼)在真空加熱到1040-10800C (例如1060°C)后向冷卻室中充以高純度中性氣體(如氮)進行冷卻。液淬是將工件在加熱室中加熱后，移至冷卻室中充入高純氮氣并立即送入淬火油槽，快速冷卻。
[0013]在本發明的實施例中，真空淬火后，還對SDC90鋼進行兩次500_540°C (例如520°C )高溫回火，產生二次硬化并增加了回火穩定性。
[0014]之后，再用非平衡磁控濺射工藝在SDC90鋼表面沉積涂層(CrTiAlN),即在一定偏壓下Ar離子清潔表面，在偏壓下啟用Cr靶沉積Cr底層，然后逐漸通入氮氣至一定流量沉積CrN層,再逐漸啟用T1、Al金屬祀和氮氣沉積梯度CrTiAlN涂層,最后,穩定各金屬革巴及氮氣流量沉積多層CrTiAlN涂層，鍍層中的Cr、T1、Al三種金屬含量由每種靶材產生的離子流密度來決定，而靶材的離子流密度則由外加電流大小來控制。
[0015]之后，在本發明的實施例中，還用非平衡磁控濺射工藝SDC90鋼表面附加離子鍍(GLC)，即將制備好的CrTiAlN涂層試樣烘干，降溫后重新放入爐膛，復合第二層GLC涂層。制備工藝為:在一偏壓下啟用Cr靶沉積Cr底層，再逐漸啟用石墨靶沉積梯度Cr/C涂層，最后，單獨關閉Cr靶電流沉積單層C涂層。沉積條件為:真空度< 4X 10_3Pa，沉積氣壓:
4.0X KT5Torr (I~1.33X I(T1Pa)，基體溫度< 400°C。鍍層中的Cr金屬含量及C含量由兩種靶材產生的離子流密度來決定，而靶材的離子流密度則由外加電流大小來控制。采用質量流量控制器來控制Ar氣流量；用光學發射法OEM (Optical Emission Method)監控Cr的發射光譜的強度變化，用壓電閥動態控制N2的流量。
[0016]前述實施例在較軟的CrTiAlN上復合第二層較硬的GLC，形成復合的PVD涂層，試驗獲得CrTiAlN/GLC復合涂層具有比單一 GLC涂層更高的納米硬度及彈性模量結果。顯然，CrTiAlN涂層對GLC軟涂層起到了很好的支撐作用，提高了復合涂層整體的硬度。本發明實施例中冷作模具材料的電鏡圖如圖1所示，非平衡磁控濺射CrTiAlN底層致密均勻，與SDC90鋼有很強的結合力，Cr及Ti元素的加入提高了涂層抗氧化能力，適合模具在高速沖壓過程中產生熱量而提高模具抗熱蝕性能，非平衡磁控濺射工藝附加離子鍍(GLC)以SP2碳鍵為主，電阻率高，內應力小，結合強度好，具有高硬度，低摩擦系數等優點，非常適合高強度鋼板冷沖模具表面強化和潤滑 。
【權利要求】
1.冷作模具材料，其特征在于，包括作為基體材料的SDC90鋼，該SDC90鋼通過1040-1080攝氏度的真空淬火，形成(Cr，Fe) 7C3和(Cr，Fe) 7C碳化物，并且以及通過兩次500-540攝氏度的高溫回火，產生二次硬化并增加回火穩定性，用非平衡磁控濺射工藝在SDC90鋼表面沉積CrTiAlN涂層，并用非平衡磁控濺射工藝附加離子鍍(GLC)，其中SDC90鋼的化學成分(質量分數)為:0.9-1.0 % C, 1.0145% Si, 0.2747% Mn, 9.50-10.0 % Cr,2.0% Mo, 0.8-1.0% V，余量為 Fe 和雜質。
2.一種適合于冷作模具材料的組合工藝，其特征在于，包括以下步驟 將SDC90鋼作為冷作模具材料的基體材料，并將SDC90鋼加熱到1040-1080攝氏度進行真空淬火，形成(Cr，Fe) 7C3和(Cr，Fe) 7C碳化物，其中SDC90鋼的化學成分(質量分數)為:0.9-1.0% C，1.0145% Si, 0.2747% Mn, 9.50-10.0% Cr, 2.0%Mo, 0.8-1.0% V，余量為Fe和雜質； 將SDC90鋼加熱到500-540攝氏度進行高溫回火，通過兩次該高溫回火以產生二次硬化并增加回火穩定性；以及 非平衡磁控濺射工藝在SDC90鋼表面沉積CrTiAlN涂層，再用非平衡磁控濺射技術附加離子鍍(GLC)。`
【文檔編號】C23C14/32GK103526115SQ201310032908
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年1月29日 優先權日:2013年1月29日
【發明者】萬紫, 方平, 施雯 申請人:上海匯眾汽車制造有限公司