H13鋼制熱作模具高溫滲碳工藝試驗研究

左傳付，湯峰，劉先進(jìn)

(1.鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鶴壁 458030；2.中原工學(xué)院 材料與化工學(xué)院，鄭州 450007;3.阜陽軸承有限公司，安徽 阜陽 236056)

模具壽命是直接影響產(chǎn)品質(zhì)量、加工效率和成本的重要因素之一，也是衡量模具制造水平的重要指標(biāo)。對失效模具統(tǒng)計表明：有50%以上的模具是由于熱處理不當(dāng)導(dǎo)致失效的，因此，采用優(yōu)化的熱處理技術(shù)對新、老模具進(jìn)行處理，可以更好地發(fā)揮材料的潛力。

滲碳是鋼表面強(qiáng)化熱處理工藝之一，但傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為滲碳不適合用于中、高碳合金鋼制熱作模具，主要是考慮它會明顯降低模具的疲勞壽命。據(jù)文獻(xiàn)[1-3]可知，對含有大量Cr，W，Mo，V等碳化物形成元素的鋼進(jìn)行滲碳已經(jīng)獲得了成功，但未見用于生產(chǎn)實(shí)踐的詳細(xì)報道。本案采用1 100 ℃高溫對常用H13熱作模具鋼進(jìn)行滲碳強(qiáng)化處理，并結(jié)合模具的淬、回火處理組成復(fù)合工藝，以改善熱作模具的耐磨性、熱強(qiáng)性及熱硬性等技術(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)提高模具使用壽命的目的。

1 試驗材料與方法

1.1 材料及鍛造

H13鋼是從美國引進(jìn)的中碳合金熱作模具鋼，相當(dāng)于我國的4Cr5MoSiV1鋼。該鋼主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:w(C)=0.32%～0.45%，w(Cr)=4.75%～5.50%，w(Mo)=1.10%～1.75%，w(Si)=0.80%～1.20%，w(V)=1.10%～1.75%，w(Mn)=0.20%～0.50%，w(P)≤0.03%，w(S)≤0.03%。

H13鋼含碳量不高，且鋼錠中常伴有亞穩(wěn)定共晶碳化物，因此，模坯要進(jìn)行六面鍛造，要求鍛造比≥5，內(nèi)墩粗比≥3。其目的在于:(1)擊碎粗大共晶碳化物，改進(jìn)鍛件的致密度，使組織均勻；(2)改變鍛件的流線方向，以改善力學(xué)性能和使用性能；(3)改善鍛件的碳化物分布，以改善其熱處理性能及使用性能。鍛后在850～900 ℃下進(jìn)行球化退火處理。

1.2 試樣制備

H13鋼球化退火后，其組織主要由鐵素體和少量的碳化物組成，將其加工成若干組試樣，其中：10 mm×8 mm×8 mm試樣用來做金相觀察與掃描電鏡分析；10 mm×10 mm×4 mm試樣用來做X衍射分析；37 mm×12 mm×10 mm試樣用來做耐磨性能測試。

另外，采用低碳鋼箔(純鐵片)測量碳勢，它的厚度為0.1 mm，長度為25 mm,寬度為25 mm，原始碳含量為0.09%。

1.3 試驗方法

(1)試樣處理。因為H13鋼表面常存在有Cr2O3而阻止?jié)B碳的進(jìn)程，所以滲碳前需首先把試樣表面分別用400#和600#砂紙磨光，然后將試樣與純鐵片裝入滲碳爐中。

(2)滲碳爐的準(zhǔn)備。滲碳在高溫箱式電阻爐中進(jìn)行，在高溫滲碳處理前，需首先進(jìn)行爐溫的校正。用鉑-銠熱電偶校正控溫儀表，以保證高溫滲碳處理溫度的準(zhǔn)確，分別校正920, 950, 1 000和1 120 ℃。

(3)高溫滲碳及淬、回火處理。采用固體滲碳法，滲碳溫度為1 100 ℃，保溫時間為3 h。滲劑用球磨機(jī)磨成粉狀，滲碳罐用壁厚為6 mm的高溫耐熱不銹鋼制成，將試樣與滲劑置于滲碳罐中，用黃泥密封，放入爐中，然后開始升溫，到達(dá)1 100 ℃后開始計時，保溫滲碳3 h后出爐，降溫至950 ℃淬火，然后在580 ℃鹽浴保溫1 h，滲碳及淬、回火工藝曲線如圖1所示。

圖1 H13鋼高溫滲碳及淬、回火工藝曲線

為與傳統(tǒng)工藝比較，同時在920 ℃進(jìn)行固體滲碳，保溫時間也選擇為3 h。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 金相顯微組織的觀察與分析

圖2、圖3分別是H13鋼在不同溫度下固體滲碳處理后的金相組織。101硝酸酒精溶液腐蝕，Neophot-21型臥式金相顯微鏡觀察，可以看出：920 ℃時，滲層較薄，碳化物析出較少，而且以晶界析出為主，同時顆粒較粗大，達(dá)到300 nm以上，組織形態(tài)不佳；在1 100 ℃時，滲層增加，碳化物出現(xiàn)較多，同時顆粒直徑在300 nm以下，組織中含有大量彌散分布的碳化物組織。

圖2 920 ℃滲碳后的組織(×400)

圖3 1 100 ℃滲碳后的組織(×400)

2.2 X射線衍射分析

將滲碳處理的試樣外表面磨光，用10%硝酸酒精溶液進(jìn)行深度腐蝕后，利用D/Max-Ya型X射線衍射儀對表面進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。圖4、圖5分別是H13鋼在不同溫度下固體滲碳處理后的表面X射線衍射譜，可以看出：920 ℃條件下，碳化物的種類較少，主要是少量的Cr23C6；而在1 100 ℃條件下，碳化物的種類較多，主要是大量的Cr7C3，同時含有大量的Mo2C，V4C3等。

圖5 H13鋼1 100 ℃ 滲碳后的X射線衍射譜

2.3 硬度測定及分析

硬度是滲層的重要力學(xué)性能之一，涉及零件在使用過程中的耐磨性、強(qiáng)度和壽命等。硬度的測定嚴(yán)格依據(jù)顯微硬度法的規(guī)定進(jìn)行，測定儀器為71型顯微硬度計,由專人負(fù)責(zé)測定。

圖6是H13鋼常溫、高溫滲碳處理淬火后截面顯微硬度分布。可以看出，在滲碳時間相同(3 h)，滲碳溫度不同的條件下，高溫滲碳的滲層厚度比常溫滲碳層深200 μm左右；高溫滲碳表層顯微硬度超過1 100 HV，比常溫滲碳的表面硬度高200 HV左右，隨著距表面距離的增加，硬度逐漸降低并趨于穩(wěn)定在730 HV左右，這是H13鋼未經(jīng)滲碳處理淬火馬氏體組織的顯微硬度。

圖6 H13鋼常/高溫滲碳淬火后截面顯微硬度分布

表1是H13鋼在相同碳勢、不同溫度條件下的固體滲碳處理后的效果對比。

表1 H13鋼不同溫度下固體滲碳效果對比

H13鋼經(jīng)高溫滲碳處理淬火后滲層中分布著大量、細(xì)小的等軸碳化物與馬氏體。這些碳化物主要由M7C3型組成，此外還有MC, M2C, M4C3和M23C6型，它們的硬度比(FeM)3C的硬度高得多，其硬度值見表2。

表2 各種碳化物的硬度值

H13鋼高溫滲碳表層硬度可達(dá)1 100 HV，高于常溫滲碳的表層硬度，比基體組織的硬度提高了400 HV左右，硬化層深度達(dá)600 μm左右。滲碳溫度越高，奧氏體含碳量越高，滲碳后淬火的表面硬度就越高；同時溫度越高，合金碳化物的數(shù)量越多，其彌散強(qiáng)化效應(yīng)也越明顯。

2.4 耐磨性能

耐磨性能試驗是在MM-200型磨損試驗機(jī)上進(jìn)行的。摩擦的形式為滑動摩擦，磨輪為T10鋼淬火態(tài)，硬度為62 HRC，試驗轉(zhuǎn)速為400 r/min，載荷為20 N。

圖7是H13鋼經(jīng)過高溫滲碳處理和常溫滲碳處理試樣的耐磨性比較，可以看出，在前10 min二者磨損量相差并不很大，10 min后高溫滲碳處理的磨損量比常溫處理的磨損量有明顯減小。可見，在要求耐磨性較高的情況下，經(jīng)高溫處理的耐磨性優(yōu)于常溫處理，具有更好的實(shí)用價值。

圖7 H13鋼不同溫度滲碳淬火后磨損量與時間關(guān)系曲線

3 討論

高溫滲碳與傳統(tǒng)滲碳不同，它是按照合金內(nèi)氧化中沉淀出氧化物的原理，對含有強(qiáng)碳物形成元素(Cr, V, Mo, W)的鋼進(jìn)行滲碳，在碳原子自表面向內(nèi)部擴(kuò)散的同時，在滲層沉淀出上述各元素的碳化物，因此，高溫滲碳淬火可在表層獲得馬氏體加合金碳化物的組織，具有極高的硬度。

在高溫滲碳時，基體主要由γ相組成。滲碳時，由于溫度高，強(qiáng)碳化物形成元素形成的碳化物呈彌散性分布，且數(shù)量較大。同時奧氏體中的含碳量也有較大提高，表面強(qiáng)化依靠的是彌散分布的碳化物和淬火形成的馬氏體，極大地提高了熱作模具鋼的強(qiáng)韌性。

合金鋼高溫滲碳時，由于合金碳化物的不斷析出，必將導(dǎo)致奧氏體中合金元素的貧化，合金元素的貧化將使碳在奧氏體中的活度系數(shù)及溶解度同時增大，使碳在奧氏體中的活度逐漸接近氣氛碳勢，最終導(dǎo)致相等，此后工件表面碳化物數(shù)量將不再增多。也就是說合金鋼高溫滲碳時，滲層碳化物體積分?jǐn)?shù)存在一個極限值。

H13鋼含有較多的Cr, Mo及 V等強(qiáng)碳物形成元素，高溫滲碳時，隨著表面碳濃度的增加，導(dǎo)致次表面這些強(qiáng)碳物元素向表面擴(kuò)散，從而使表面合金元素增加，提高了表面合金碳化物的數(shù)量及其彌散度。高溫滲碳的強(qiáng)化層是依靠高溫擴(kuò)散形成的，所以與其他表面強(qiáng)化技術(shù)相比，其滲層平緩，使其具有較好的抗疲勞性能。在1 100 ℃以上加熱淬火，其心部馬氏體形態(tài)由混合型轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l狀，板條馬氏體和彌散分布的細(xì)小合金碳化物，都是有助于改善強(qiáng)韌性的因素。文獻(xiàn)[4]指出H13鋼的沖擊韌度ak和斷裂韌度K1C值均優(yōu)于3Cr2W8V鋼。

H13鋼制熱作模具經(jīng)高溫滲碳復(fù)合工藝處理后，實(shí)際使用表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，認(rèn)為這是基體馬氏體強(qiáng)化與滲層合金碳化物強(qiáng)化的復(fù)合強(qiáng)化作用，即在回火馬氏體基體上分布著大量彌散、細(xì)小顆粒的多種合金碳化物是強(qiáng)化的主要原因。

4 應(yīng)用實(shí)例

對H13鋼制軸承套圈鍛造熱擠壓模具采用高溫滲碳、預(yù)冷淬火、多次回火的復(fù)合熱處理[5]，其工藝曲線如圖8所示。模具經(jīng)過1 100 ℃高溫滲碳，預(yù)冷到950～1 000 ℃后淬火，具有良好的滲碳層組織和性能以及表面狀況；考慮到二次硬化峰在500～550 ℃區(qū)域，超過650 ℃模具硬度開始明顯下降，因此，選用580～600℃作為模具的回火溫度，根據(jù)模具實(shí)際尺寸，回火2～3次，每次2 h。

圖8 H13鋼高溫滲碳復(fù)合熱處理工藝曲線

經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明，用H13熱作模具鋼制造的軸承環(huán)件鍛造熱擠壓模具，采用復(fù)合工藝處理后,克服了早期磨損失效，也沒有出現(xiàn)脆性斷裂的現(xiàn)象，使模具平均使用壽命提高了1～3倍。這表明，通過工藝優(yōu)化，在提高材料表面硬度和強(qiáng)度的同時，沒有明顯降低材料的韌性。在不大幅度增加熱作模具熱處理成本的前提下，顯著提高了模具的使用壽命。

5 結(jié)論

(1) H13鋼在溫度低于920 ℃條件下進(jìn)行滲碳處理，形成少量以Cr23C6為主的碳化物；而在1 100 ℃條件下進(jìn)行滲碳處理，可獲得大量呈彌散分布的多類型合金碳化物，基體均為馬氏體。

(2) H13鋼經(jīng)高溫滲碳淬、回火復(fù)合工藝處理后，表層是回火馬氏體和彌散的合金碳化物，心部為板條馬氏體，滲層表面硬度高，顯微硬度可達(dá)到1 100 HV，滲層有效硬化厚度達(dá)到600 μm以上，具有優(yōu)異的高硬度、高耐磨性和高強(qiáng)韌性相匹配的綜合性能，更適用于制造耐磨性要求較高的模具。

(3)H13鋼制造的軸承零件熱擠壓模具經(jīng)過高溫滲碳淬、回火復(fù)合工藝處理后，其平均使用壽命提高了1～3倍。