[发明专利]热作模具及其表面的复合改性层和表面改性方法

说明书

本发明涉及金属材料的表面改性领域，公开了一种热作模具及其表面的复合改性层和表面改性方法。本发明的复合改性层包括位于热作模具次外层的塑性变形层和与塑性变形层连接的位于热作模具最外层的马氏体层。本发明在保留了塑性变形层的高抗热疲劳性能的同时，能够通过马氏体层有效避免热作模具表面热裂纹沿细晶晶界快速扩散的缺陷。

技术领域

本发明涉及金属材料的表面改性领域，特别涉及一种热作模具及其表面的复合改性层和表面改性方法。

背景技术

随着工业制造水平的提高及生产规模的扩大，越来越多的铝合金产品相继问世，并广泛用于电子、汽车、飞机及一些器械零件上，其中不少属于铝合金压铸产品。铝合金压铸模是在压力铸造成形工艺中，用以成形铸件所使用的金属模具，常见的有H13钢、3Cr2W8V等。通常情况下，铝合金压铸模的服役条件极为苛刻，温度在650～730℃范围内的铝液以40～180m/s的速度压入模腔，并造成20～120MPa的内压力。因此压铸模是铝合金压铸生产线上的易损耗材，其常见失效形式包括热疲劳、熔损、磨损及腐蚀等，其中热疲劳是其最主要的失效形式。

有关提高铝合金压铸模热疲劳性能的研究已有大量报道，并指出热疲劳性能与零件表层强度、承载能力、晶粒尺寸及残余压应力等密切相关。目前提高铝合金压铸模具钢热疲劳性能的方法大多集中在表面改性领域，如表面化学热处理、表面大塑性变形及表面激光热处理等。近年来，喷丸强化(也可以称为喷丸处理技术)作为一种典型的表面塑性变形方法，因技术简单、处理成本低、普适性高等优点，已逐渐成为提高材料强度、可靠性和寿命的主流手段之一。其通常是在外加载荷的重复作用下，将材料表层组织通过不同方向产生的强烈塑性变形而逐渐细化，引入位错、晶界等微观缺陷，在不损失韧性的基础上大幅度提高表层硬度、强度及耐磨性能，同时还会于材料次表层引入一定厚度的塑性变形影响区。显然，喷丸强化提高表层强度(硬度)及引入残余压应力对抑制热裂纹的扩展和萌生都能起到有利作用，但其最表层组织由于晶粒较细(纳米级)，存在较多的晶界，将对热疲劳裂纹在表面方向的沿晶扩展产生隐患。目前，采用表面塑性变形方法提高铝合金压铸模用钢的热疲劳性能的方法尚不完善，这种工艺的大规模应用仍存在一定的局限性。并且，现有技术中铝合金压铸模具钢表面喷丸处理的方法主要是通过控制弹丸的硬度、直径，喷射压力和方向等，使模具钢表面获得理想的残余压应力分布，从而提高模具钢的热疲劳抗力，延长使用寿命。但是，目前喷丸、滚压及表面机械研磨处理等表面塑性变形方法在提高铝合金压铸模具热疲劳性能上的应用并不多，尽管表面塑性变形引入的强度提升及残余压应力可有效提高热疲劳抗力，但同时引入的大量晶界和位错又可为热疲劳裂纹的加速扩展提供通道，削弱其整体强化效果。这些方法并未考虑组织类型与裂纹扩展之间的内在联系，无法解决喷丸处理后模具表面热裂纹会沿晶界加速扩展的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热作模具及其表面的复合改性层和表面改性方法，能够在保留了塑性变形层的高抗热疲劳性能的同时，通过马氏体层有效避免热作模具表面热裂纹沿细晶晶界快速扩散的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式公开了一种热作模具表面的复合改性层，其特征在于，复合改性层包括位于热作模具次外层的塑性变形层和与塑性变形层连接的位于热作模具最外层的马氏体层。

在一示范性实例中，上述复合改性层满足如下条件中的至少一项：

塑性变形层的厚度为10～100μm；

马氏体层的厚度为1～10μm；

马氏体层是通过对塑性变形层的表面进行表面淬火处理得到的。

在一示范性实例中，热作模具为铝合金压铸模具。

本发明的实施方式还公开了一种热作模具的表面改性方法，该方法包括以下步骤：

在热作模具的表面生成塑性变形层；

对塑性变形层的表面进行表面淬火处理生成马氏体层。