模具鋼的滲碳-碳氮共滲改性熱處理

■ 嚴(yán)超峰，包耀宗，王歡銳，董立社，謝余，李棟

滲碳、碳氮共滲是目前機(jī)械制造工業(yè)中較廣泛應(yīng)用的一種化學(xué)熱處理方法，具有表面硬度高，耐磨性、韌性好，從表面到基體硬度過(guò)渡平緩等優(yōu)點(diǎn)，能在沖擊載荷和疲勞工況下服役，在齒輪、軸承、鋼領(lǐng)圈等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，顯著提高零件的使用壽命。

1. 模具鋼滲碳-碳氮共滲改性熱處理背景

目前的滲碳、碳氮共滲技術(shù)，多用于碳含量較低的滲碳鋼（例如：16MnCr5、20MnCr5、19CrNi3、20、20Cr、20CrMo、22CrMoH、20CrMnTi、8620H、17CrNiMo6、20Cr2Ni4等），碳含量和合金含量較低，滲碳或碳氮共滲后表面碳濃度升高，經(jīng)淬火+低溫回火后（120～2 0 0℃），表面硬度大于58HRC，而心部韌性高、滲層厚度可控制在0.5～2.0mm，疲勞壽命高，可承受重載荷摩擦磨損。但常規(guī)滲碳、碳氮共滲技術(shù)溫度控制在820～930℃，碳勢(shì)CP=0.8%～1.3%，較高、在熱作模具鋼上難以應(yīng)用，易產(chǎn)生不良組織，降低模具壽命。

熱作模具鋼包括熱鍛模、熱擠壓模和熱鑄模三種，該標(biāo)識(shí)模屬于熱擠壓模具，在重載荷（2000kN）及高溫摩擦磨損工況下服役，標(biāo)識(shí)模棱角很容易塌陷和破碎，選用性能優(yōu)良的熱作模具鋼，模具壽命200～500件，模具消耗成本3～6元/件，占零件制造成本的1.3%～2.7%，且嚴(yán)重影響鍛件生產(chǎn)效率，鍛件生產(chǎn)制造成本較高。

鑒于此，本文介紹了一種熱鍛標(biāo)識(shí)模具鋼的滲碳-碳氮共滲改性熱處理方法。該方法采用Unimax鉻鉬釩合金工具鋼加工制成標(biāo)識(shí)模鑲塊經(jīng)調(diào)質(zhì)預(yù)備熱處理后進(jìn)行滲碳-碳氮共滲復(fù)合熱處理。其制備方法包括以下步驟：標(biāo)識(shí)模鑲塊的選材及加工、調(diào)質(zhì)預(yù)備熱處理、滲碳-碳氮共滲復(fù)合熱處理、熱鍛工藝試驗(yàn)。本發(fā)明不僅提高該模具表面硬度至60～65HRC，心部50～55HRC，滲層厚度達(dá)0.6～0.8m m，還可大大提高該模具承受重載荷（2000kN）和沖擊載荷高溫摩擦磨損能力，進(jìn)一步提高擺輾標(biāo)識(shí)模具壽命2～5倍，降低模具成本80%以上。

2. 工藝試驗(yàn)

試驗(yàn)1：熱作模具鋼Unimax加工成標(biāo)識(shí)模成品→調(diào)質(zhì)預(yù)備熱處理→滲碳-碳氮共滲復(fù)合熱處理→熱鍛工藝試驗(yàn)及批量驗(yàn)證。

熱作模具鋼U n i m a x為鉻鉬釩合金工具鋼（wC=0.5%，wSi=0.2%，wMn=0.5%，wCr=5.0%，wMo=2.3%，wV=0.5%，軟退火態(tài)185HBW），其具備如下特性：各個(gè)方向都具有優(yōu)良的韌性與塑性，優(yōu)良的拋光性，良好的耐磨性，熱處理和使用中良好的尺寸穩(wěn)定性，優(yōu)良的淬透性，良好的高溫強(qiáng)度，良好的抗熱疲勞性，良好的抗回火穩(wěn)定性，適用于長(zhǎng)壽命、高硬度和高韌性的熱作模具。

（1）標(biāo)識(shí)模鑲塊的選材及加工 將φ80mm規(guī)格Unimax材質(zhì)棒料（wC=0.5%，wSi=0.2%，wMn=0.5%，wCr=5.0%，wMo=2.3%，wV=0.5%，軟退火態(tài)185HBW）加工至成品標(biāo)識(shí)模鑲塊，如圖1所示。

（2）調(diào)質(zhì)預(yù)備熱處理 淬火：預(yù)熱溫度600～650℃和850～900℃，奧氏體化溫度 ：1020℃，保溫時(shí)間30min，在真空爐中N2淬火冷卻，在800～500℃溫度范圍內(nèi)，冷卻速度1.1℃/s；回火：525℃×2h兩次，硬度56～58HRC；力學(xué)性能：屈服強(qiáng)度Rp0.2=1720～1780MPa，抗拉強(qiáng)度Rm=2050～2 5 1 0 M P a，斷后伸長(zhǎng)率A5=8%～9%，斷面收縮比Z=28%～40%；高溫硬度隨時(shí)間的變化：550℃/56HRC降至54HRC×15h，600℃/55HRC降至45HRC×15h，650℃/45HRC降至32HRC×15h。

（3）滲碳-碳氮共滲復(fù)合熱處理 工藝曲線如圖2所示，將UBE-1000滴注式氣體滲碳氮化爐升溫至920℃，氣氛碳勢(shì)恢復(fù)至CP1.02%，保溫30min后，打開(kāi)爐門(mén)裝入經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)預(yù)備熱處理的標(biāo)識(shí)模，爐內(nèi)溫度降低≥650℃。關(guān)閉爐門(mén)升溫至800℃時(shí)，通入甲醇開(kāi)始排氣，甲醇滴量MAX3000mL/h。升溫至920℃時(shí)進(jìn)行均溫20min，CP1.02%，調(diào)整甲醇M A X滴量，并滴入滲碳劑丙烷MAX5L/min，氣氛碳勢(shì)CP1.02%。進(jìn)行強(qiáng)滲3h，調(diào)整丙烷滴量MAX4L/min，氣氛碳勢(shì)CP0.9%，進(jìn)行擴(kuò)散2h。降溫至870℃，調(diào)整丙烷滴量MAX3L/min，壓力0.2MPa，氨氣MAX2L/min，壓力0.1MPa氣氛碳勢(shì)CP0.8%，擴(kuò)散2h。降溫至820℃，調(diào)整丙烷滴量MAX3L/min，氣氛碳勢(shì)CP0.75%，保溫40min，直接淬火15min，淬火冷卻介質(zhì)KR468分級(jí)淬火油，油溫控制在80～120℃，瀝油15min，出爐清洗、回火（160～180）℃×（4～6）h，即得到經(jīng)滲碳-碳氮共滲復(fù)合熱處理的熱鍛標(biāo)識(shí)模具鑲塊，并取樣一件進(jìn)行理化檢測(cè)。共滲層深如圖3所示，共滲層硬度梯度如圖4所示，共滲層表面金相組織如圖5所示。

（4）熱鍛工藝試驗(yàn)及批量驗(yàn)證 將經(jīng)滲碳-碳氮共滲復(fù)合熱處理的Unimax材質(zhì)模具鑲塊安裝在DWY99-200A擺動(dòng)輾壓機(jī)上，下料φ65mm規(guī)格42CrMoH材質(zhì)棒料局部加熱至1050℃在SM1250水平開(kāi)模鍛機(jī)上進(jìn)行鐓粗。然后在DWY99-200A擺動(dòng)輾壓機(jī)上進(jìn)行盤(pán)式半軸的擺盤(pán)與標(biāo)識(shí)鍛造成形，并對(duì)熱磨損失效件模具鑲塊進(jìn)行金相組織分析。表面出現(xiàn)熱疲勞龜裂現(xiàn)象（見(jiàn)圖6），但高溫摩擦磨損能力依然很高，表面碳化物、碳氮化合物呈顆粒狀彌散分布狀態(tài)。與調(diào)質(zhì)態(tài)H13材質(zhì)模具鑲塊比較，在同樣工況下模具壽命提高4～5倍，模具消耗降成本3元/件左右，目前已運(yùn)行1.5年，為公司節(jié)約模具消耗成本35萬(wàn)元左右。

試驗(yàn)2：熱作模具鋼DIEVAR加工成標(biāo)識(shí)模成品→調(diào)質(zhì)預(yù)備熱處理→滲碳-碳氮共滲復(fù)合熱處理→熱鍛工藝試驗(yàn)。

圖1 Unimax材質(zhì)熱鍛模滲碳-碳氮共滲復(fù)合熱處理標(biāo)識(shí)模

圖2 熱鍛標(biāo)識(shí)模具鋼滲碳-碳氮共滲復(fù)合熱處理工藝曲線

熱作模具鋼DIEVAR是一種新型熱作模具鋼，是一種高性能的鉻鉬釩合金工具鋼，具有良好的抗熱裂紋、開(kāi)裂、熱磨損和塑性變形能力。具有以下特點(diǎn)：在各個(gè)方向上都有優(yōu)異的韌性和延展性，好的抗回火穩(wěn)定性，良好的高溫強(qiáng)度，優(yōu)異的淬透性，熱處理、表面涂覆后良好的尺寸穩(wěn)定性。適用于高要求的壓鑄、熱鍛和熱擠壓模具。

同試驗(yàn)1制作步驟并進(jìn)行了熱鍛工藝試驗(yàn)，DIEVAR材質(zhì)熱鍛標(biāo)識(shí)模具鑲塊，與調(diào)質(zhì)態(tài)該材質(zhì)模具鑲塊比較，在同樣工況下模具壽命提高3～4倍，模具消耗降成本2.2元/件左右。

試驗(yàn)3：熱作模具鋼H13加工成標(biāo)識(shí)模成品→調(diào)質(zhì)預(yù)備熱處理→滲碳-碳氮共滲復(fù)合熱處理→熱鍛工藝試驗(yàn)。

熱作模具鋼H13為鉻鉬釩合金工具鋼，目前廣泛應(yīng)用的熱擠壓模，韌性和延展性很高，成分牌號(hào)符合4Cr5MoSiV1。

同試驗(yàn)1制作步驟并進(jìn)行了熱鍛工藝試驗(yàn)，H13材質(zhì)熱鍛標(biāo)識(shí)模具鑲塊（滲層硬度梯度見(jiàn)圖7），與調(diào)質(zhì)態(tài)該材質(zhì)模具鑲塊比較，在同樣工況下模具壽命提高2～3倍，模具消耗降成本2.3元/件左右。

3. 結(jié)語(yǔ)

（1）將該滲碳-碳氮共滲改性熱處理工藝應(yīng)用于Unimax材質(zhì)熱鍛標(biāo)識(shí)模具鑲塊，與調(diào)質(zhì)態(tài)H13材質(zhì)模具鑲塊比較，在同樣工況下模具使用壽命提高4～5倍，模具消耗降成本3元/件左右，目前已運(yùn)行1.5年，為公司節(jié)約模具消耗成本35萬(wàn)元左右。

圖3 Unimax材質(zhì)熱鍛標(biāo)識(shí)模滲碳-碳氮共滲層深

圖4 Unimax材質(zhì)熱鍛標(biāo)識(shí)模滲碳-碳氮共滲層硬度梯度

圖5 Unimax材質(zhì)熱鍛標(biāo)識(shí)模滲碳-碳氮共滲層組織

圖6 Unimax材質(zhì)熱鍛標(biāo)識(shí)模滲碳-碳氮共滲層表面金相組織

圖7 H13材質(zhì)熱鍛標(biāo)識(shí)模滲碳-碳氮共滲層硬度梯度

（2）將該滲碳-碳氮共滲改性熱處理工藝應(yīng)用于DIEVAR材質(zhì)熱鍛標(biāo)識(shí)模具鑲塊，與調(diào)質(zhì)態(tài)該材質(zhì)模具鑲塊比較，在同樣工況下模具壽命提高3～4倍，模具消耗降成本2.2元/件左右。

（3）將該滲碳-碳氮共滲改性熱處理工藝應(yīng)用于H13材質(zhì)熱鍛標(biāo)識(shí)模具鑲塊，與調(diào)質(zhì)態(tài)該材質(zhì)模具鑲塊比較，在同樣工況下模具壽命提高2～3倍，模具消耗降成本2.3元/件左右。

（4）將該滲碳-碳氮共滲改性熱處理工藝應(yīng)用于5CrNiMo材質(zhì)熱鍛模，與調(diào)質(zhì)態(tài)該材質(zhì)模具比較，在同樣工況下模具壽命提高4～5倍。

熱鍛標(biāo)識(shí)模具鋼的滲碳-碳氮共滲改性熱處理方法。該方法采用Unimax鉻鉬釩合金工具鋼加工制成標(biāo)識(shí)模鑲塊經(jīng)調(diào)質(zhì)預(yù)備熱處理后進(jìn)行滲碳-碳氮共滲改性熱處理。不僅提高該模具表面硬度至60～65HRC，心部50～55HRC，滲層厚度達(dá)0.6～0.8mm，還可大幅提高該模具承受重載荷（2000kN）和沖擊載荷高溫摩擦磨損能力，進(jìn)一步提高擺輾標(biāo)識(shí)模具使用壽命2～5倍，降低模具成本80%以上。

該方法通過(guò)選用合適的熱鍛標(biāo)識(shí)模具材料，設(shè)計(jì)滲碳-碳氮共滲改性熱處理工藝用于熱鍛模具表面改性熱處理，可顯著提高熱鍛標(biāo)識(shí)模具使用壽命，降低鍛件制造成本。

[1] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理學(xué)會(huì).熱處理手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.