原標題：模具鋼滲氮-碳氮共滲改性熱處理
作者:陜西東明車輛系統有限公司嚴超峰、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:《金屬加工(熱加工)雜志》
滲氮和碳氮共滲是機械制造業中廣泛使用的一種化學熱處理方法。具有表面硬度高、耐磨性好、韌性好、從表面到基材強度過輕等特點。可在沖擊載荷和疲勞條件下使用，廣泛應用于齒輪、軸承、鋼領圈等行業。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境
目前的滲氮和碳氮共滲技術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的溫度控制為820～930℃，碳勢CP=0.8%～1.3%，高，不能用于熱作模具鋼，容易產生機構差，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。該標志模具屬于熱擠壓模具，在重負荷（2000kn）和高溫摩擦損壞條件下服務。該標志模具的邊角容易坍塌和粉碎。采用性能優良的熱模具鋼，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%～鍛件生產率嚴重危害2.7%，鍛件的生產加工成本較高。
隨著滲氮、碳氮共滲技術的發展，滲氮-碳氮共滲復合熱處理技術具有解決溫度低、滲透速度快的特點，能有效抑制單氮和單碳氮共滲的機構缺點，滲層濃度梯度和強度梯度溫和，滲層與基底結合強度高，表面剩余應力高，綜合物理性能好。
滲氮-碳氮共滲復合熱處理可用于含碳量低、合金元素少、規定滲層超過1.0mm的低碳合金鋼零件。
滲氮-碳氮共滲復合熱處理可用于含碳量低、合金元素少、規定滲層超過1.0mm的低碳合金鋼零件。前期進行高溫高碳潛滲氮，使滲層表面獲得足夠的碳濃度，后期碳氮共滲擴散，不僅可以增厚滲層，緩解碳濃度梯度，還可以抑制小塊和網狀碳化物的誕生。由于碳氮共滲在擴散階段進行，共滲速率大大提高，共滲選用較低的碳勢和氨進入量，可有效抑制黑色組織的產生。復合熱處理使表面和次表面具有較高的強度，提高了該地區的強度、硬度和殘余壓力應力，抑制了疲勞裂紋的萌發和擴展，從而提高了疲勞極限。復合處理共析層一般為0.20～0.35mm，輕碳濃度和強度梯度緩解了小動能多沖擊裂紋和彎曲疲勞裂紋的產生。
根據對滲氮-碳氮共滲復合熱處理技術的研究，熱模鋼表面改性熱處理生產中未發現該方法的相關報告。如果采用合適的熱鍛標志模具材料，熱鍛磨表面改性解決采用合理的滲氮-碳氮共滲復合熱處理工藝，可以顯著提高熱鍛標志模具的使用壽命，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志模塊，經調質預備熱處理后進行滲氮碳氮共滲復合熱處理。其制備方法包括以下工藝：標志模塊的選材及加工、調質預備熱處理、滲氮-碳氮共滲復合熱處理、熱鍛工藝試驗。本產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，進一步提高擺動標志模具的使用壽命2～5倍，模具成本降低80%以上。
2.工藝試驗
實驗1：熱模鋼UNIMAX制成標志模成品→調質預備熱處理→碳氮共滲復合熱處理→熱鍛工藝試驗及批量認證。
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、熱處理和使用時尺寸穩定性好等特點。淬透性好，高溫強度好，耐熱疲勞性好，耐回火變軟性好，適用于使用壽命長、韌性高、韌性高的熱作模具。
(1)標志模塊的材料選擇和加工
將φUnimax材料圓棒，80mm規格（wC=0.5%，wSi=0.2%，wMn=0.5%，wCr=5.0%，wMo=2.3%，wV=0.5%，軟淬火185HBW)加工成成品標志模塊，如圖1所示。
圖1 UNIMAX熱鍛模滲氮-碳氮共滲復合熱處理標志
(2)調質預備熱處理
淬火:預熱溫度6000～650℃和850～奧氏體化溫度為900℃ ：1020℃，保溫時間30min，真空爐N2淬火冷卻，8000～環境溫度在500℃，冷卻速度為1.1℃/1℃/s；淬火：525℃×2h2次，強度56～58HRC；物理性能：抗拉強度RP0.2=1720～1780MPa，抗壓強度RM=2050～2510MPa，延伸率A5=8%～9%的面積收縮比Z=28%～40%；隨著時間的推移，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℃，大氣碳勢恢復至CP1.02%。保溫30min后，打開爐膛，裝入調質準備熱處理的標志模，爐內溫度降低≥650℃。將爐膛關閉加熱至800℃時，逐漸進入甲醇排氣，甲醇滴量MAX3000ml/h。將爐膛關閉加熱至800℃時，逐漸進入甲醇排氣，甲醇滴量MAX3000ml/h。均溫20min升溫至920℃時，CP1.02%，調整甲醇MAX滴量，滴入滲氮丙烷MAX5L/min，CP1.02%的大氣碳勢。調整丙烷滴量MAX4L/min，大氣碳勢CP0.9%，蔓延2h。降溫至870℃，調節丙烷滴量MAX3L/min，壓力0.2MPa，氨MAX2L//min，碳勢CP0.8%的壓力0.1MPa氛圍擴散2h。調節丙烷滴量MAX3000ml/820℃min，大氣碳勢CP0.75%，保溫40min，立即淬火15min，淬火冷卻物質KR468分級淬火油，溫度保持在80～120℃，瀝油15min，公布清洗淬火(160～180）℃×（4～6）h，即經滲氮-碳氮共滲復合熱處理的熱鍛標志磨具鑲塊，并抽樣一件進行理化檢測。共滲層深度如圖3所示，共滲層強度梯度如圖4所示，共滲層表面合金成分如圖5所示。
圖2 鋼滲氮-碳氮共滲復合熱處理模具曲線
圖3 UNIMAX材料熱鍛標志模滲氮-碳氮共滲深度
圖4 UNIMAX熱鍛標志模滲氮-碳氮共滲層強度梯度
圖5 UNIMAX材料熱鍛標志模滲氮-碳氮共滲層
(4)熱鍛工藝試驗及批量認證
DWY99-200A晃動碾壓機上安裝了經滲氮-碳氮共滲復合熱處理的UNIMAX材料磨具鑲塊，開料φ在SM1250水平開模鍛機中，65mm規格42crMoH材料圓棒局部加熱至1050℃。之后，在DWY99-200A搖動碾壓機中，對盤式半軸的裝盤和標志進行煅燒，對熱磨損失部件的磨具鑲塊進行合金成分分析。之后，在DWY99-200A搖滾機中，將盤式半軸的裝盤和標志煅燒成型，并對熱磨損失部件的磨具鑲塊進行合金成分分析。表面出現熱疲勞開裂（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。與調質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，目前已運行1.5年，為公司節省了35萬左右的磨具成本。
圖6 UNIMAX材料熱鍛標志模滲氮-碳氮共滲層表面合金成分
實驗2：熱模鋼DIEVAR制成標志成品→調質預備熱處理→碳氮共滲復合熱處理→熱鍛工藝試驗。
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：韌性和可塑性好，抗淬火性好，高溫強度好，淬火性好，熱處理和表面涂層后尺寸穩定性好。適用于高要求的壓鑄、熱鍛和熱擠壓模具。
同樣的實驗1生產步驟和熱鍛工藝試驗，DIEVAR材料熱鍛標志磨具鑲塊，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。
實驗3：熱模鋼H13制成標志模成品→調質預備熱處理→碳氮共滲復合熱處理→熱鍛工藝試驗。
熱作模具鋼H13是鉻鉬釩合金工具鋼，目前廣泛應用于熱擠壓模具中，韌性和可塑性都很高，成分型號為4cr5mosiv1。
與實驗1的生產步驟相同，進行了熱鍛工藝試驗。H13材料熱鍛標志磨具鑲塊（滲層強度梯度見圖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熱鍛標志模滲氮-碳氮共滲層強度梯度
3.結語
(1)UNIMAX材料熱鍛標志磨具鑲塊采用滲氮-碳氮共滲改性熱處理方法，與調質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，目前已運行1.5年，為公司節省磨具成本約35萬元。
(2)DIEVAR材料熱鍛標志磨具鑲塊采用滲氮-碳氮共滲改性熱處理方法，與調質狀態相比，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材料熱鍛標志磨具鑲塊采用滲氮-碳氮共滲改性熱處理方法，與調質狀態相比，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，與調質態材料磨具相比，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，與調質態材料磨具相比，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志模塊，經調質預備熱處理后進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，進一步提高擺磨標志磨具的使用壽命2～5倍，模具成本降低80%以上。
該方法采用適當的熱鍛標志模具材料，設計了熱鍛磨表面改性熱處理的氮碳氮共滲改性熱處理方法，可顯著提高熱鍛標志磨的使用壽命，降低鍛件的制造成本。
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