熱作模具材料的強(qiáng)韌性和耐磨性是影響模具壽命的關(guān)鍵特性。新模具材料和新熱處理工藝的不斷出現(xiàn)，熱作模具壽命正在大幅度提高。但是，作為常用的熱作模具鋼H13，表現(xiàn)高溫強(qiáng)度和韌性不足，尤其是通過氮化處理難以得到較厚的強(qiáng)化的耐磨滲氮層。為此，我們研制了一種更高高溫強(qiáng)度和適宜氮化處理的時效硬化型氮化模具鋼20Cr3MnMoV。也可用來制造重載荷高強(qiáng)度耐磨件。
結(jié)合國家資源，在20Cr3Mo2NiVSi（PH）基礎(chǔ)上，調(diào)整化學(xué)成分，研制成功20Cr3MnMoV時效硬化鋼，可以實現(xiàn)氮化過程中氮化硬化和時效硬化同時進(jìn)行，已成功用于制造長壽命氮化熱作模具和高耐磨性深層氮化零件。
1.時效硬化鋼的合金成分設(shè)計
研制的時效硬化鋼有以下特點：
（1）有良好的析出硬化性能，取消Ni，析出相以Cr、Mo、V、Nb合金碳化物為主，兼有金屬間化合物析出。
（2）退火狀態(tài)有良好的切削加工性，固溶處理狀態(tài)有足夠的切削加工性。
（3）時效硬化溫度在520～580℃之間，利于深層氮化硬化和基體時效硬化同時進(jìn)行。
（4）表層經(jīng)氮化強(qiáng)化和時效強(qiáng)化有較高的熱穩(wěn)定性，心部有良好的沖擊韌性。
（5）舍棄油淬，固溶處理采用空冷或氣冷，保證足夠的淬透性。
參照20Cr3Mo2NiVSi（PH）鋼靠金屬間化合物和合金碳化物在板條狀低碳馬氏體中析出硬化，使鋼具有較高的高溫強(qiáng)度和耐磨性，表現(xiàn)在熱作模具有很高的使用壽命。設(shè)想保留PH鋼的優(yōu)勢（時效硬化特點），增添深層氮化強(qiáng)化的因素。
為此，設(shè)計的時效硬化鋼為低碳高錳的空冷低碳貝氏體/馬氏體復(fù)相鋼，添加Cr、Mo、V、Nb時效時形成析出相，氮化時形成氮化物相，同時實現(xiàn)時效硬化和氮化硬化。
空冷低碳貝氏體/馬氏體復(fù)相鋼，可獲得優(yōu)良的強(qiáng)韌性組合的低碳貝氏體/馬氏體組織，添加大量的Mn元素可以推遲珠光體轉(zhuǎn)變，壓低貝氏體開始轉(zhuǎn)變溫度，以保證在空冷或風(fēng)冷條件下，獲得一定量的貝氏體；添加Cr有利于獲得下貝氏體和有利于氮化硬化；添加含量大于1%的Mo與Cr、V結(jié)合成為析出硬化的主要因素；Si能抑制滲碳體的析出，因此控制Si量不能太高，才有利于合金碳化物的析出硬化；微量合金元素Nb有利于細(xì)化組織，提高強(qiáng)韌性，并且可增加晶界面上氮的擴(kuò)散通道。
所研制的時效硬化滲氮模具鋼20Cr3MnMoV化學(xué)成分見表1所示。
表1 試驗鋼與PH鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）
2.20Cr3MnMoV鋼熱處理
退火采用780℃保溫3h爐冷，硬度為30～36HRC，適宜機(jī)械加工。
模具加工成型后，可留精加工余量直接進(jìn)行空冷固溶處理，如果精密模具需減少變形和穩(wěn)定尺寸，可增加600～650℃去應(yīng)力退火。
固溶處理采用920℃保溫2h，散放空冷，大件可風(fēng)冷，或真空加熱2×105Pa氣淬，硬度為40～44HRC。
（1）不需要氮化的模具：空冷固溶處理后直接進(jìn)行540℃×6～8h時效，時效后空冷，硬度為48～50HRC。時效后進(jìn)行模具精加工。
（2）要求氮化的模具：固溶處理后模具精加工到尺寸，轉(zhuǎn)入氮化處理，注意不需要時效處理，簡化了工藝，在氮化處理過程中模具表面氮化硬化和基體時效硬化同時進(jìn)行。
表2 滲氮工藝規(guī)范
3.20Cr3MnMoV鋼與H13鋼離子滲碳對比
H13鋼作為熱作模具鋼，為了提高模具耐磨性和使用壽命，常在模具淬火和回火后精加工成型，再進(jìn)行表面氮化處理，而熱擠壓模和熱鍛模等重負(fù)荷熱作模具常要求0.2～0.3mm以上深層滲氮，壓鑄模和鋁熱擠壓模則要求0.07～0.15mm淺層滲氮。
生產(chǎn)實踐表明，H13鋼深層滲氮要求兼顧層深大于0.2mm，表層組織合格和基體保持高硬度（大于480HV）是難以實現(xiàn)的。從附圖可見H13鋼氮化0.3mm時，基體硬度只有460HV（46.5HRC）。
H13鋼520℃×20h滲氮層深0.18mm，530℃×40h滲氮層深0.3mm，而20Cr3MnMoV鋼520℃×20h滲氮，層深0.3mm，530℃×40h滲氮層深0.5mm。
4.時效硬化鋼的滲氮變形
時效硬化鋼模具固溶處理后進(jìn)行氮化，與一般調(diào)質(zhì)鋼氮化有所不同，因為前者在氮化過程要發(fā)生基體時效硬化，而后者在氮化過程中基體回火索氏體一般不會繼續(xù)發(fā)生變化。
為了確定時效硬化鋼模具氮化變形量，分別進(jìn)行了時效硬化鋼試棒時效硬化和氮化尺寸變化測量，還對比作了調(diào)質(zhì)鋼試件的氮化尺寸變化測量。試驗結(jié)果表明，時效硬化鋼氮化產(chǎn)生的尺寸變化量比一般調(diào)質(zhì)鋼氮化稍大。調(diào)質(zhì)鋼42CrMo氮化0.4mm，尺寸變化量為萬分之二。時效硬化鋼氮化時由于基體時效硬化產(chǎn)生的尺寸變化量大致在萬分之二左右，即100mm厚模具可能由于時效硬化引起晶格畸變和基體膨脹，造成尺寸增大約0.02mm，這種微小尺寸變化，可以通過模具氮化前加工到負(fù)公差范圍予以控制或氮化前留精磨量。
試驗結(jié)果還表明，時效硬化鋼一段氮化與二段氮化在氮化和時效綜合變形量方面比較，一段氮化變形和尺寸變化量都小。氮化層深在0.4～0.5mm時，一段氮化尺寸變化量在萬分之二左右，二段氮化尺寸變化量在萬分之五左右。調(diào)質(zhì)鋼二段氮化尺寸變化量在萬分之二左右。因此，除非要求氮化層深大于0.5mm，時效硬化鋼一般優(yōu)先采用一段氮化。
5.20Cr3MnMoV鋼熱穩(wěn)定性試驗
20Cr3MnMoV鋼試樣900℃×3h空冷固溶處理后進(jìn)行了高溫時效試驗。560℃保溫2h，時效后硬度為482HV（48HRC），560℃保溫35h，時效后硬度為475HV（47.5HRC），可見20Cr3MnMoV鋼有很高的抗高溫軟化特性，這對熱擠壓模具和熱鍛模具有重要意義。
6.應(yīng)用展望
（1）時效硬化型氮化模具鋼20Cr3MnMoV，可用來制作熱鍛模、熱擠壓模具等熱作模具，在固溶時效狀態(tài)下使用，硬度可保持48～50HRC以上，可望比H13鋼更高的強(qiáng)韌性和使用壽命。
（2）為了提高模具耐磨性和使用壽命，可以在模具空冷固溶處理后氮化處理，將氮化和時效兩工序合一，并取消了常規(guī)油淬工序，簡化了工藝。
（3）20Cr3MnMoV鋼氮化特性優(yōu)于H13鋼，對于要求氮化層深大于0.2mm，基體又要求更高強(qiáng)化的模具，這種鋼有獨特優(yōu)勢，氮化層深可達(dá)0.2～0.5mm，有廣闊應(yīng)用前景。
（4）20Cr3MnMoV鋼采用較低溫度加熱空冷固溶處理，代替常規(guī)的高溫加熱油淬工序，節(jié)能環(huán)保，可保證模具有效厚度150mm以內(nèi)的淬透性，適合用來制造中小型熱作模具。
（5）20Cr3MnMoV鋼材料成本和制造成本都低于H13鋼，又具有優(yōu)良的氮化特性，在需要表面耐磨而心部更高強(qiáng)化的重載熱作模具和重載耐磨零件，會得到廣泛應(yīng)用。
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
