H13滲氮后的性能研究

田澤明 伍倪燕

摘要：以熱作模具鋼H13為例對(duì)其實(shí)施離子滲氮工藝進(jìn)而研究其性能變化。對(duì)采用不同滲氮溫度和不同滲氮保溫時(shí)間進(jìn)行離子滲氮處理后的H13模具鋼樣品進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，當(dāng)滲氮溫度為500 ℃、保溫時(shí)間為8 h時(shí)性能最佳，其表面硬度為1 250HV，滲氮層厚度為241 μm。

關(guān)鍵詞：滲氮工藝;磨損;滲氮層;模具鋼;硬度

0? ? 引言

2017年，中國(guó)模具工業(yè)協(xié)會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)秦珂在當(dāng)年4月10日舉行的“模具與現(xiàn)代制造業(yè)報(bào)告會(huì)”上表示，我國(guó)模具企業(yè)裝備精良，模具制造生態(tài)圈健康，對(duì)于下游產(chǎn)品制造業(yè)的效益放大器的作用顯著。助推中國(guó)裝備制造業(yè)發(fā)展，市場(chǎng)導(dǎo)引下的能力提升體現(xiàn)在集成產(chǎn)業(yè)鏈上的核心零件制造企業(yè)，為汽車(chē)、電子等行業(yè)提供支撐的模具行業(yè)，它們是制造業(yè)不可或缺的重要組成部分。我國(guó)模具工業(yè)發(fā)展迅速，但與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在較大差距，模具壽命普遍較短。熱處理對(duì)模具的性能有著重要影響，通過(guò)熱處理可以使模具鋼具有必要的強(qiáng)韌性，大大延長(zhǎng)模具的壽命。因此，對(duì)模具鋼熱處理后的性能進(jìn)行研究極其必要。

1? ? 滲氮實(shí)驗(yàn)

H13熱作模具鋼在諸多熱作模具鋼中應(yīng)用范圍最廣，所含合金元素主要為V、Cr、Mo。實(shí)驗(yàn)前，先切取H13鋼樣品在1 075 ℃進(jìn)行油淬，接著對(duì)其進(jìn)行2 h的550 ℃回火處理，得到平均硬度為47HRC的樣品。在滲氮處理前，需將樣品進(jìn)行去油和再拋光處理，隨后利用丙酮清洗溶液在超聲波儀器中對(duì)試樣進(jìn)行清洗。借助LDMC-75F型離子氮化爐實(shí)施離子滲氮工藝。離子滲氮過(guò)程中，先將滲氮爐抽真空至50 Pa左右，隨后向爐內(nèi)通入H2清洗10 min左右，再通N2進(jìn)行離子滲氮處理。離子滲氮工藝中，主要考察不同溫度和時(shí)間條件對(duì)H13模具鋼性能的影響。離子滲氮的溫度在460～540 ℃，間隔20 ℃一個(gè)點(diǎn);滲氮時(shí)間分別為4～14 h，間隔2 h一個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。離子滲氮實(shí)驗(yàn)后，采用HV-500型智能數(shù)顯硬度計(jì)測(cè)試模具鋼樣品的硬度值，當(dāng)滲氮溫度為500 ℃，保溫時(shí)間為8 h時(shí)，測(cè)得其表面硬度為1 250HV（相當(dāng)于88.9HRA）。采用HT-1000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)模具鋼樣品進(jìn)行耐磨性實(shí)驗(yàn)，采用日本產(chǎn)D/Max-RB型轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀對(duì)模具樣品相組成進(jìn)行分析，采用日本產(chǎn)JSM-5610LV型掃描電鏡對(duì)滲氮處理后樣品的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。

2? ? 滲氮后的性能變化

2.1? ? 滲氮溫度對(duì)耐磨性能的影響

經(jīng)滲氮處理保溫8 h后樣品摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，從圖中發(fā)現(xiàn)，隨磨損時(shí)間的延長(zhǎng)，不同滲氮溫度處理后的模具鋼樣品的磨損質(zhì)量均呈線性遞增趨勢(shì)，在前面4 h磨損過(guò)程中，磨損量增加較緩慢，而在磨損4 h后，樣品的磨損量增速逐漸加快。同時(shí)還可發(fā)現(xiàn)，在較低溫度如460 ℃和480 ℃下進(jìn)行滲氮處理的模具鋼樣品其磨損量明顯要大于在較高溫度（500 ℃、520 ℃和540 ℃）下進(jìn)行滲氮處理后的模具鋼樣品。當(dāng)磨損時(shí)間為14 h時(shí)，在460 ℃、480 ℃、500 ℃、520 ℃及540 ℃進(jìn)行滲氮處理后的模具鋼樣品磨損量分別為345 mg、315 mg、206 mg、231 mg以及245 mg。分析可知，模具鋼樣品的磨損與表面硬度值相關(guān)，表面硬度值越高，耐磨性越好，因而在較高溫度進(jìn)行滲氮處理后的模具鋼樣品耐磨性能相對(duì)更好。另外，在摩擦磨損的初級(jí)階段，主要磨損物質(zhì)為滲氮層，而滲氮溫度較高的樣品其滲氮層較厚，因而磨損量較小。在磨損的后期，樣品的表面滲氮層均被磨損，此時(shí)均為基體磨損，因而各樣品磨損速度基本一致。

2.2? ? 滲氮溫度對(duì)滲氮層厚度的影響

滲氮溫度對(duì)滲氮層厚度的影響規(guī)律曲線如圖2所示，隨著滲氮溫度的升高，滲氮層厚度呈階梯狀上升趨勢(shì)。480～500 ℃時(shí)，滲氮層厚度上升最快，480 ℃時(shí)，滲氮層厚度為175 μm，500 ℃時(shí)，滲氮層厚度為241 μm;在500～520 ℃變化時(shí)，滲氮層基本呈平臺(tái)狀;溫度繼續(xù)升高至540 ℃時(shí)，滲氮層厚度為265 μm。分析原因，如前所述，溫度升高氮原子擴(kuò)散速度會(huì)加快，從而使得滲氮層厚度加大。

2.3? ? H13模具鋼樣品滲氮層顯微結(jié)構(gòu)分析

綜合分析，當(dāng)H13模具鋼樣品在500 ℃滲氮處理8 h后樣品性能最佳。隨后對(duì)最佳樣品的滲氮層中化合物進(jìn)行了相組成分析，如圖3所示，結(jié)果顯示滲氮層中化合物主要為Fe2N、Fe4N及Fe3O4，利用XRD通過(guò)衍射強(qiáng)度積分計(jì)算得出，F(xiàn)e2N相占比42.5%，F(xiàn)e4N相占比55.3%，F(xiàn)e3O4相占比2.2%。同時(shí)，采用掃描電鏡對(duì)最佳樣品滲氮層形貌進(jìn)行了觀察，從形貌中可以清晰看到化合物層。因而，綜合分析可見(jiàn)，H13模具鋼樣品在500 ℃滲氮處理8 h后，具有厚度合適的化合物層和滲氮層，這對(duì)模具鋼的耐磨性能及熱疲勞性能提高具有顯著作用。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)模具鋼樣品進(jìn)行了摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，模具鋼樣品的磨損質(zhì)量呈線性遞增趨勢(shì)，滲氮溫度為500 ℃、保溫時(shí)間為8 h的模具鋼樣品磨損14 h后磨損質(zhì)量為206 mg。相組成顯示滲氮層中化合物主要為Fe2N、Fe4N以及Fe3O4，厚度合適的化合物層和滲氮層對(duì)模具鋼的耐磨性能及熱疲勞性能提高具有顯著作用。

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收稿日期：2019-12-25

作者簡(jiǎn)介：田澤明（1969—），男，四川宜賓人，講師，主要從事機(jī)械制造方面的教學(xué)和應(yīng)用研究工作。