滲氮工藝參數(shù)對(duì)SKD61鋼顯微組織的影響

劉朝福，劉躍峰

（桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院，廣西 桂林 541004）

SKD61鋼是日本JIS標(biāo)準(zhǔn)的熱作模具鋼，對(duì)應(yīng)我國的牌號(hào)是4Cr5MoSiV1（GB/T 1299—2000），是一種應(yīng)用廣泛的熱作模具鋼。氣體滲氮是熱作模具鋼最常用的一種表面強(qiáng)化工藝，鋼件經(jīng)滲氮后具有硬度高、耐磨性好、抗疲勞且變形小等特點(diǎn)。在氣體滲氮過程中，滲氮溫度、滲氮時(shí)間和氨氣的分解率等三個(gè)關(guān)鍵的工藝參數(shù)將對(duì)鋼材的組織、表面硬度等質(zhì)量指標(biāo)產(chǎn)生重要的影響。為了確定從日本進(jìn)口的SKD61鋼的理想滲碳工藝，作者對(duì)一段滲氮法和二段滲氮法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和比較，研究了滲氮溫度、滲氮時(shí)間和氨氣分解率等主要工藝參數(shù)對(duì)鋼件滲氮層顯微組織的影響機(jī)理，確定了理想的工藝參數(shù)。

1 試樣制備

實(shí)驗(yàn)用SKD61鋼為市場采購，日本大同制鋼株式會(huì)社（DAIDO STEEL HI）生產(chǎn)，材料的狀態(tài)為毛坯鋼，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 SKD61鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

取試驗(yàn)材料SKD61鋼，線切割成10 mm×10 mm×20 mm的板狀，試樣表面經(jīng)過打磨拋光和清洗。采用工程實(shí)踐中兩種常用的滲氮工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這兩種工藝分別來自不同的企業(yè)，其主要的滲氮工藝參數(shù)如圖1和圖2所示。兩種工藝中，試樣滲氮前均采用1 030℃/10 min鹽浴淬火+550℃/2 h回火2次，硬度HRC50。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖2所示為SKD61鋼經(jīng)兩種滲氮工藝處理后的組織形貌，按照金相法測量其滲氮層的深度，得到滲氮層深度分別約為 125 μm、100 μm。

圖1 不同的滲氮工藝

圖2 兩種滲氮工藝處理后SKD61鋼的顯微組織（OM）

影響滲氮層深度的工藝參數(shù)主要有滲氮溫度、滲氮時(shí)間和氨氣分解率等。對(duì)于滲氮溫度而言，由于工藝一采用的是一段滲氮法，溫度相對(duì)比較高（555℃）；而工藝二的第一段滲氮溫度為515℃，第二段穩(wěn)定為535℃，與工藝一比較，其總體溫度相對(duì)較低。一般而言，滲氮層的深度會(huì)隨著滲氮溫度的升高而增加：溫度較高時(shí)，氨的分解率較高，析出的活性氮原子就較多；當(dāng)氨分解率不變時(shí)，工件表面的吸收氮原子的能力會(huì)隨滲氮溫度的增加而提高，實(shí)踐證明，550～600℃鋼件表面具有很好的吸收氮原子的能力；同時(shí)，隨著滲氮溫度的不斷升高，氮的擴(kuò)散速度也不斷加快，從而促使更多的活性氮原子從工件表面進(jìn)入芯部。因此，但就滲氮溫度而言，工藝一下的工件比工藝二下的工件吸收了更多的活性氮原子。

對(duì)于氨氣的解率率而言，氨的分解率在15%～35%（體積分?jǐn)?shù)）時(shí)，工件的表面吸氮能力最高。一般在滲氮的初始階段，往往采用較大的氨氣流量、較低的氨分解率（一般小于25%），目的是讓工件表面可以吸收足夠多的氮原子；而到了擴(kuò)散期，則應(yīng)以較大的氨流量和較大的分解率（25%～45%），目的是保證工件表面不至于形成脆性相；到了滲氮的后期，則應(yīng)采用較小氨氣流量和較大的氨分解率，其目的主要是減少氨氣的消耗量。對(duì)工藝一而言，40%的氨分解率已經(jīng)能保證工件表面對(duì)氮原子的需要；對(duì)工藝二而言，在初始階段長時(shí)間采用很大的氨氣流量，較小的氨分解率（22%）。氨分解出的活性氮原子如果沒有被工件件表面及時(shí)吸收掉，氮原子則會(huì)迅速與工件成表面吸收不了的氮分子結(jié)合而形成氮—氨化合物，在滲氮的后期，由于氨的分解率較高，時(shí)間較短，活性的氮原子供應(yīng)不夠，工件表面吸收到的氮原子不足，導(dǎo)致形成合金滲氮物的氮原子以及能夠向工件芯部擴(kuò)散的氮原子都大大不足。

對(duì)于滲氮時(shí)間而言，滲氮工藝一總共為10 h，滲氮工藝二總共為12 h。由以上可知，工藝一處理的試樣比工藝二處理的試樣的滲氮層深度要深，究其原因是工藝一的溫度較高、氨的分解率較合理，從而保證了工件表面有充足的活性氮原子被工件吸收，同時(shí)，活性氮原子在工件芯部的擴(kuò)散速度又較快。工藝二的滲氮時(shí)間雖然大于滲氮工藝一的時(shí)間，但是不足以彌補(bǔ)滲氮溫度低、氨氣分解率低而產(chǎn)生的缺陷。

3 結(jié)論

綜合比較，工藝一的工藝參數(shù)較為合理，即SKD61鋼理想的滲氮工藝參數(shù)應(yīng)該是滲氮溫度為535℃、滲氮時(shí)間為15 h，氨氣分解率為50%.