原標(biāo)題：模具鋼滲氮-碳氮共滲改性熱處理
作者:陜西東明車輛系統(tǒng)有限公司嚴(yán)超峰、謝余、李棟
包耀宗，鋼鐵研究院
王歡銳，董立社，陜西漢德車橋有限公司
由來(lái):《金屬加工(熱加工)雜志》
滲氮和碳氮共滲是機(jī)械制造業(yè)中廣泛使用的一種化學(xué)熱處理方法。具有表面硬度高、耐磨性好、韌性好、從表面到基材強(qiáng)度過輕等特點(diǎn)。可在沖擊載荷和疲勞條件下使用，廣泛應(yīng)用于齒輪、軸承、鋼領(lǐng)圈等行業(yè)。顯著提高零件的使用壽命。
1.模具鋼滲氮-碳氮共滲改性熱處理環(huán)境
目前的滲氮和碳氮共滲技術(shù)主要用于碳含量低的滲碳鋼(如16Mncr5)、20MnCr5、19CrNi3、20、20Cr、20CrMo、22CrMoH、20crmnti、8620H、17CrNimo6、20cr2Ni4等)，碳含量和合金成分較低，滲氮或碳氮共滲后表面碳濃度升高，淬火 低溫回火后(120～200℃)，表面硬度超過58HRC，芯韌性高，滲層厚度可控制在0.5～2.0mm，疲勞壽命高，能承受輕載摩擦損傷。但基本滲氮和碳氮共滲技術(shù)的溫度控制為820～930℃，碳勢(shì)CP=0.8%～1.3%，高，不能用于熱作模具鋼，容易產(chǎn)生機(jī)構(gòu)差，降低模具壽命。
熱模具鋼包括熱鍛模具、熱擠壓模具和熱鑄模具。該標(biāo)志模具屬于熱擠壓模具，在重負(fù)荷（2000kn）和高溫摩擦損壞條件下服務(wù)。該標(biāo)志模具的邊角容易坍塌和粉碎。采用性能優(yōu)良的熱模具鋼，模具壽命為2000～500件磨具成本300件～6元/件，占零件制造成本的1.3%～鍛件生產(chǎn)率嚴(yán)重危害2.7%，鍛件的生產(chǎn)加工成本較高。
隨著滲氮、碳氮共滲技術(shù)的發(fā)展，滲氮-碳氮共滲復(fù)合熱處理技術(shù)具有解決溫度低、滲透速度快的特點(diǎn)，能有效抑制單氮和單碳氮共滲的機(jī)構(gòu)缺點(diǎn)，滲層濃度梯度和強(qiáng)度梯度溫和，滲層與基底結(jié)合強(qiáng)度高，表面剩余應(yīng)力高，綜合物理性能好。
滲氮-碳氮共滲復(fù)合熱處理可用于含碳量低、合金元素少、規(guī)定滲層超過1.0mm的低碳合金鋼零件。
滲氮-碳氮共滲復(fù)合熱處理可用于含碳量低、合金元素少、規(guī)定滲層超過1.0mm的低碳合金鋼零件。前期進(jìn)行高溫高碳潛滲氮，使?jié)B層表面獲得足夠的碳濃度，后期碳氮共滲擴(kuò)散，不僅可以增厚滲層，緩解碳濃度梯度，還可以抑制小塊和網(wǎng)狀碳化物的誕生。由于碳氮共滲在擴(kuò)散階段進(jìn)行，共滲速率大大提高，共滲選用較低的碳勢(shì)和氨進(jìn)入量，可有效抑制黑色組織的產(chǎn)生。復(fù)合熱處理使表面和次表面具有較高的強(qiáng)度，提高了該地區(qū)的強(qiáng)度、硬度和殘余壓力應(yīng)力，抑制了疲勞裂紋的萌發(fā)和擴(kuò)展，從而提高了疲勞極限。復(fù)合處理共析層一般為0.20～0.35mm，輕碳濃度和強(qiáng)度梯度緩解了小動(dòng)能多沖擊裂紋和彎曲疲勞裂紋的產(chǎn)生。
根據(jù)對(duì)滲氮-碳氮共滲復(fù)合熱處理技術(shù)的研究，熱模鋼表面改性熱處理生產(chǎn)中未發(fā)現(xiàn)該方法的相關(guān)報(bào)告。如果采用合適的熱鍛標(biāo)志模具材料，熱鍛磨表面改性解決采用合理的滲氮-碳氮共滲復(fù)合熱處理工藝，可以顯著提高熱鍛標(biāo)志模具的使用壽命，降低鍛件的制造成本。
基于此，本文闡述了熱鍛標(biāo)志模具鋼的滲氮-碳氮共滲改性熱處理工藝。該方法采用Unimax鉻鉬釩合金工具鋼加工成標(biāo)志模塊，經(jīng)調(diào)質(zhì)預(yù)備熱處理后進(jìn)行滲氮碳氮共滲復(fù)合熱處理。其制備方法包括以下工藝：標(biāo)志模塊的選材及加工、調(diào)質(zhì)預(yù)備熱處理、滲氮-碳氮共滲復(fù)合熱處理、熱鍛工藝試驗(yàn)。本產(chǎn)品不僅將磨具的表面硬度提高到60～65HRC，50芯～55HRC，滲層厚度為0.6～0.8mm，還可以大大提高磨具承載重載(2000kn)和沖擊載荷的高溫摩擦損傷水平，進(jìn)一步提高擺動(dòng)標(biāo)志模具的使用壽命2～5倍，模具成本降低80%以上。
2.工藝試驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)1：熱模鋼UNIMAX制成標(biāo)志模成品→調(diào)質(zhì)預(yù)備熱處理→碳氮共滲復(fù)合熱處理→熱鍛工藝試驗(yàn)及批量認(rèn)證。
熱作模鋼UNIMAX是鉻鉬釩合金工具鋼（wC=0.5%，wSi=0.2%，wMn=0.5%，wCr=5.0%，wMo=2.3%，wV=0.5%，軟淬火185HBW)，具有韌性和塑性好、拋光性好、耐磨性好、熱處理和使用時(shí)尺寸穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。淬透性好，高溫強(qiáng)度好，耐熱疲勞性好，耐回火變軟性好，適用于使用壽命長(zhǎng)、韌性高、韌性高的熱作模具。
(1)標(biāo)志模塊的材料選擇和加工
將φUnimax材料圓棒，80mm規(guī)格（wC=0.5%，wSi=0.2%，wMn=0.5%，wCr=5.0%，wMo=2.3%，wV=0.5%，軟淬火185HBW)加工成成品標(biāo)志模塊，如圖1所示。
圖1 UNIMAX熱鍛模滲氮-碳氮共滲復(fù)合熱處理標(biāo)志
(2)調(diào)質(zhì)預(yù)備熱處理
淬火:預(yù)熱溫度6000～650℃和850～奧氏體化溫度為900℃ ：1020℃，保溫時(shí)間30min，真空爐N2淬火冷卻，8000～環(huán)境溫度在500℃，冷卻速度為1.1℃/1℃/s；淬火：525℃×2h2次，強(qiáng)度56～58HRC；物理性能：抗拉強(qiáng)度RP0.2=1720～1780MPa，抗壓強(qiáng)度RM=2050～2510MPa，延伸率A5=8%～9%的面積收縮比Z=28%～40%；隨著時(shí)間的推移，550℃/56HRC降至54HRC×15h，600℃/55HRC降至45HRC×650℃/45HRC降至32HRC×15h。
(3)滲氮-碳氮共滲復(fù)合熱處理
如圖2所示，工藝曲線將UBE-1000滴注式汽體滲氮氮化爐加熱至920℃，大氣碳勢(shì)恢復(fù)至CP1.02%。保溫30min后，打開爐膛，裝入調(diào)質(zhì)準(zhǔn)備熱處理的標(biāo)志模，爐內(nèi)溫度降低≥650℃。將爐膛關(guān)閉加熱至800℃時(shí)，逐漸進(jìn)入甲醇排氣，甲醇滴量MAX3000ml/h。將爐膛關(guān)閉加熱至800℃時(shí)，逐漸進(jìn)入甲醇排氣，甲醇滴量MAX3000ml/h。均溫20min升溫至920℃時(shí)，CP1.02%，調(diào)整甲醇MAX滴量，滴入滲氮丙烷MAX5L/min，CP1.02%的大氣碳勢(shì)。調(diào)整丙烷滴量MAX4L/min，大氣碳勢(shì)CP0.9%，蔓延2h。降溫至870℃，調(diào)節(jié)丙烷滴量MAX3L/min，壓力0.2MPa，氨MAX2L//min，碳勢(shì)CP0.8%的壓力0.1MPa氛圍擴(kuò)散2h。調(diào)節(jié)丙烷滴量MAX3000ml/820℃min，大氣碳勢(shì)CP0.75%，保溫40min，立即淬火15min，淬火冷卻物質(zhì)KR468分級(jí)淬火油，溫度保持在80～120℃，瀝油15min，公布清洗淬火(160～180）℃×（4～6）h，即經(jīng)滲氮-碳氮共滲復(fù)合熱處理的熱鍛標(biāo)志磨具鑲塊，并抽樣一件進(jìn)行理化檢測(cè)。共滲層深度如圖3所示，共滲層強(qiáng)度梯度如圖4所示，共滲層表面合金成分如圖5所示。
圖2 鋼滲氮-碳氮共滲復(fù)合熱處理模具曲線
圖3 UNIMAX材料熱鍛標(biāo)志模滲氮-碳氮共滲深度
圖4 UNIMAX熱鍛標(biāo)志模滲氮-碳氮共滲層強(qiáng)度梯度
圖5 UNIMAX材料熱鍛標(biāo)志模滲氮-碳氮共滲層
(4)熱鍛工藝試驗(yàn)及批量認(rèn)證
DWY99-200A晃動(dòng)碾壓機(jī)上安裝了經(jīng)滲氮-碳氮共滲復(fù)合熱處理的UNIMAX材料磨具鑲塊，開料φ在SM1250水平開模鍛機(jī)中，65mm規(guī)格42crMoH材料圓棒局部加熱至1050℃。之后，在DWY99-200A搖動(dòng)碾壓機(jī)中，對(duì)盤式半軸的裝盤和標(biāo)志進(jìn)行煅燒，對(duì)熱磨損失部件的磨具鑲塊進(jìn)行合金成分分析。之后，在DWY99-200A搖滾機(jī)中，將盤式半軸的裝盤和標(biāo)志煅燒成型，并對(duì)熱磨損失部件的磨具鑲塊進(jìn)行合金成分分析。表面出現(xiàn)熱疲勞開裂（見圖6），但高溫摩擦損傷水平仍然很高，表面滲碳體和碳氮化合物充滿顆粒。與調(diào)質(zhì)H13材料磨具鑲塊相比，模具壽命在相同條件下提高4～5倍，磨具成本降低3元/件，目前已運(yùn)行1.5年，為公司節(jié)省了35萬(wàn)左右的磨具成本。
圖6 UNIMAX材料熱鍛標(biāo)志模滲氮-碳氮共滲層表面合金成分
實(shí)驗(yàn)2：熱模鋼DIEVAR制成標(biāo)志成品→調(diào)質(zhì)預(yù)備熱處理→碳氮共滲復(fù)合熱處理→熱鍛工藝試驗(yàn)。
熱模鋼DIEVAR是一種新型的熱模鋼，是一種耐熱裂紋、干裂紋、熱磨損和塑性變形水平較好的高性能鉻鉬釩合金工具鋼。具有以下特點(diǎn)：韌性和可塑性好，抗淬火性好，高溫強(qiáng)度好，淬火性好，熱處理和表面涂層后尺寸穩(wěn)定性好。適用于高要求的壓鑄、熱鍛和熱擠壓模具。
同樣的實(shí)驗(yàn)1生產(chǎn)步驟和熱鍛工藝試驗(yàn)，DIEVAR材料熱鍛標(biāo)志磨具鑲塊，與材料磨具鑲塊相比，模具壽命在相同條件下提高3～4倍，磨具成本降低2.2元/件。
實(shí)驗(yàn)3：熱模鋼H13制成標(biāo)志模成品→調(diào)質(zhì)預(yù)備熱處理→碳氮共滲復(fù)合熱處理→熱鍛工藝試驗(yàn)。
熱作模具鋼H13是鉻鉬釩合金工具鋼，目前廣泛應(yīng)用于熱擠壓模具中，韌性和可塑性都很高，成分型號(hào)為4cr5mosiv1。
與實(shí)驗(yàn)1的生產(chǎn)步驟相同，進(jìn)行了熱鍛工藝試驗(yàn)。H13材料熱鍛標(biāo)志磨具鑲塊（滲層強(qiáng)度梯度見圖7）與材料磨具鑲塊相比，模具壽命在相同條件下提高2～三倍，磨具成本降低2.3元/件。
圖7 H13熱鍛標(biāo)志模滲氮-碳氮共滲層強(qiáng)度梯度
3.結(jié)語(yǔ)
(1)UNIMAX材料熱鍛標(biāo)志磨具鑲塊采用滲氮-碳氮共滲改性熱處理方法，與調(diào)質(zhì)H13材料磨具鑲塊相比，同等條件下磨具使用壽命提高4～5倍，磨具成本降低3元/件，目前已運(yùn)行1.5年，為公司節(jié)省磨具成本約35萬(wàn)元。
(2)DIEVAR材料熱鍛標(biāo)志磨具鑲塊采用滲氮-碳氮共滲改性熱處理方法，與調(diào)質(zhì)狀態(tài)相比，模具壽命在同等條件下提高3～4倍，磨具成本降低2.2元/件。
(3)H13材料熱鍛標(biāo)志磨具鑲塊采用滲氮-碳氮共滲改性熱處理方法，與調(diào)質(zhì)狀態(tài)相比，模具壽命在同等條件下提高2～三倍，磨具成本降低2.3元/件。
(4)5Crnimo材料熱鍛模采用滲氮-碳氮共滲改性熱處理方法，與調(diào)質(zhì)態(tài)材料磨具相比，模具壽命在同等條件下提高4～5倍。
(4)5Crnimo材料熱鍛模采用滲氮-碳氮共滲改性熱處理方法，與調(diào)質(zhì)態(tài)材料磨具相比，模具壽命在同等條件下提高4～5倍。
熱鍛模具鋼的滲氮-碳氮共滲改性熱處理工藝。該方法采用Unimax鉻鉬釩合金工具鋼加工成標(biāo)志模塊，經(jīng)調(diào)質(zhì)預(yù)備熱處理后進(jìn)行滲氮碳氮共滲改性熱處理。不僅將磨具的表面硬度提高到60～65HRC，50芯～55HRC，滲層厚度為0.6～0.8mm，還可以大大提高磨具承載重載(2000kn)和沖擊載荷的高溫摩擦損傷水平，進(jìn)一步提高擺磨標(biāo)志磨具的使用壽命2～5倍，模具成本降低80%以上。
該方法采用適當(dāng)?shù)臒徨憳?biāo)志模具材料，設(shè)計(jì)了熱鍛磨表面改性熱處理的氮碳氮共滲改性熱處理方法，可顯著提高熱鍛標(biāo)志磨的使用壽命，降低鍛件的制造成本。
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