含氮熱作模具鋼的成分與熱處理工藝優化分析

李 軍

（浙江泰富無縫鋼管有限公司，浙江 紹興 312367）

含氮熱作模具鋼屬于熱作模具鋼的一種，熱作模具鋼則屬合金工具鋼，用于制作對金屬進行熱變形加工的各類模具，如熱鍛模、熱擠壓模、壓鑄模、熱鐓模等。現代工業生產和加工活動對金屬材料性能的要求較高，應在現有基礎上不斷對含氮熱作模具鋼進行研究，提升其性能，進一步優化材料成分和熱處理工藝。

1 含氮熱作模具鋼的質量影響因素和控制思路

1.1 成分因素和控制思路

含氮熱作模具鋼常用于各類模具的作用，由于熱作模具長時間處于高溫高壓條件下，要求模具材料具有理想的抗形變能力、力學性能及熱穩定性，能夠有效應有滿足特殊環境下的工作需求。這首先對含氮熱作模具鋼的成分提出了較高要求。以12Cr1MoVG材料為例，該材料可用于制作鍋爐中的鋼結構件，滿足550℃以上工作環境下的作業需求，12Cr1MoVG以優質碳素結構鋼為基礎，加入其他元素，提升了力學性能、淬透性、韌性，其氮化品種的添加成分中，氮元素和釩元素屬主要成分。從控制思路的角度上看，此前學者提出了通過控制添加量保證材料性能的理論。該理論的核心思想為，以少量氮元素在材料表面形成滲氮層，提升合金材料的硬度和疲勞強度，同時使材料內部的強度和韌性提升。釩元素的加入可實現材料的二次硬化，經熱處理后，釩化鋼（或簡稱釩鋼）的洛氏硬度可達到60以上[1]。

含氮熱作模具鋼的性能優化，很大程度上取決于添加物的總量，氮元素和釩元素過多，可能導致鋼材料過于硬脆，缺乏延展性，熱加工過程中即可出現質量問題，后續使用過程中，也可能因周圍溫度的持續升高、負載水平的變化出現質量隱患，如裂紋、斷裂等。思路上看，根據材料加工和使用要求，合理酌定氮元素和釩元素的用量（一般以百分比表達）為主要方法。一般而言，各機構均采用模擬方式進行氮元素和釩元素添加量分析，以虛擬的理想環境作為模擬空間，或以添加其他標準參數代替動態因素影響，獲取接近理想要求的氮元素和釩元素添加值，我國目前也主要通過類似方式進行含氮熱作模具鋼成分控制[2]。

1.2 熱處理工藝因素和控制思路

熱處理工藝是指材料在固態下，通過加熱、保溫和冷卻的手段，以獲得預期組織和性能的一種金屬熱加工工藝。在含氮熱作模具鋼的制作過程中，熱處理工藝主要牽涉到淬火、回火兩個方面，正火和退火工藝相對固定，影響有限，不納入分析。仍以12Cr1MoVG材料為例，該材料在優質碳素結構鋼的基礎上發展而來，淬火影響材料內碳元素的含量和材料硬度，回火影響材料理化性能和穩定性。在實際工作中，淬火和回火工藝固定且必然得到執行，需要控制的核心要素為執行次數和溫度參數控制[3]。

在早期進行合金鋼質量和性能研究的歐美國家，如德國、美國等，主要考慮以固定參數進行含氮熱作模具鋼的制造，如德國技術人員多借助智能化設備（數控機床）等進行材料制造，以回火環節為例，假定默認標準化工序為10道，可加工各道工序代入計算機中，以計算機控制機床（一體化者為數控機床），借助傳感器實時收集材料加工信息，以默認工序不斷進行溫度控制，使材料在標準溫度環境下得到加工。而在持續的工藝發展過程中，各國普遍重視采用對照實驗的方式進行工藝效果評估，以默認的質量要求為核心約束條件，通過對工藝參數和方法進行調整，了解不同工藝價值和可優化的環節。

2 模擬實驗和結果分析

2.1 實驗目標和方法

擬通過實驗，分析含氮熱作模具鋼最佳成分參數和熱處理工藝，為確保實驗理論的線性特點，去除無關因素影響，擬建立計算機模型，以標準模型為依托，添加各類實驗參數，進行實驗和結果分析。實驗主要嘗試提升含氮熱作模具鋼的抗形變、熱疲勞和力學性能。可變參數為釩和氮添加量、淬火溫度、回火溫度、回火次數以及不同回火環節的工作溫度，觀察指標為材料的形變率、熱疲勞時間、延展性以及剛度。為保證實驗效率，本次研究采用重復分析思路，首先獲取其他學者的研究成果，據此建立參數變動的區間范圍，為實驗獲取較為科學、明確的邊界參數，獲取上述信息進行含氮熱作模具鋼模擬制作，再以制作所獲的材料模型為基礎，添加第二輪模擬參數，即工作溫度、工作時間、負載水平，上述三個參數均取固定值，以評估不同含氮熱作模具鋼的工作能力。

2.2 實驗過程

實驗共分為四組：

第一組實驗中，釩和氮含量控制為1.1%、0.011%，淬火溫度設定為1070℃，默認進行兩次回火，第一次回火溫度540℃、第二次回火溫度520℃。完成含氮熱作模具鋼制造后，模擬240h工作時間，工作溫度默認580℃，負載水平默認為高負載。實驗共進行30次，記錄含氮熱作模具鋼形變率、熱疲勞時間、延展性以及剛度信息，求取平均值進行對比。

第二組試驗中，釩和氮含量控制為1.0%、0.011%，淬火溫度設定為1060℃，默認進行兩次回火，第一次回火溫度540℃、第二次回火溫度520℃。完成含氮熱作模具鋼制造后，模擬240h工作時間，工作溫度默認580℃，負載水平默認為高負載。實驗共進行30次，記錄含氮熱作模具鋼形變率、熱疲勞時間、延展性以及剛度信息，求取平均值進行對比。

第三組試驗中，釩和氮含量控制為1.0%、0.010%，淬火溫度設定為1070℃，默認進行三次回火，第一次回火溫度540℃、第二次回火溫度520℃、第三次回火溫度500℃。完成含氮熱作模具鋼制造后，模擬240h工作時間，工作溫度默認580℃，負載水平默認為高負載。實驗共進行30次，記錄含氮熱作模具鋼形變率、熱疲勞時間、延展性以及剛度信息，求取平均值進行對比。

第四組試驗中，釩和氮含量控制為1.1%、0.010%，淬火溫度設定為1060℃，默認進行三次回火，第一次回火溫度540℃、第二次回火溫度520℃、第三次回火溫度500℃。完成含氮熱作模具鋼制造后，模擬240h工作時間，工作溫度默認580℃，負載水平默認為高負載。實驗共進行30次，記錄含氮熱作模具鋼形變率、熱疲勞時間、延展性以及剛度信息，求取平均值進行對比。

2.3 實驗結果和分析

對四輪共120次實驗的結果進行整理，以材料出現形變的時間為熱疲勞時間，以材料抗屈服強度表達剛度，結果見表1。

表1 實驗結果（n=30）

從結果上看，第一組3次實驗結果最為理想，僅有兩個樣本在240h、580℃高負載條件下出現形變，30個樣本熱疲勞時間平均在240h以上。制備完成的材料延展性20.4%、抗屈服強度（剛度）35.2MPa，在四組實驗中均為最優。保持淬火溫度不變（1070℃）、下調氮元素和釩元素添加量、增加回火次數為三次，材料性能處于中等偏上水平，與第一組相比，形變率、延展性略有增加，抗疲勞時間和剛度略有下降。不改變回火次數、降低淬火溫度為1060℃、降低氮元素添加量，材料性能處于中等偏下水平，與第一組相比，形變率、延展性有明顯增加，抗疲勞時間和剛度有明顯下降。降低淬火溫度為1060℃、增加回火次數、降低釩元素添加量的情況下，材料性能處于較低水平，形變率、延展性、抗疲勞時間和剛度均出現明顯下降。

結合實驗結果進行分析，可獲取如下結論：

釩和氮含量可控制為1.1%、0.011%，熱處理最優工藝為1070℃淬火+540℃一次回火+520℃二次回火，含氮熱作模具鋼的質量最為理想。后續工作中，建議在條件允許的情況下，加強對不同元素添加量參數的直接控制，同時確保熱處理工藝處于標準化水平，可借助必要的智能化操作設備和控制設備，對含氮熱作模具鋼的制造進行把控。在不確定參數控制效果的情況下也可借助虛擬實驗，獲取可靠參數再投入具體作業中。

3 總結

綜上，含氮熱作模具鋼的成分與熱處理工藝影響模具鋼的質量，也具有進一步控制和優化的空間。從形變、力學性能、熱疲勞三個角度著眼，影響模具鋼質量的成分因素為釩和氮含量，熱處理工藝因素為淬火和回火溫度。實驗分析證明了上述理論，同時實驗結果證明，釩和氮含量可控制為1.1%、0.011%，熱處理最優工藝為1070℃淬火+540℃一次回火+520℃二次回火，可保證模具鋼質量。