熱作模具材料的強韌性和耐磨性是影響模具壽命的關鍵特性。新模具材料和新熱處理工藝的不斷出現，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，表現高溫強度和韌性不足，尤其是通過氮化處理難以得到較厚的強化的耐磨滲氮層。為此，我們研制了一種更高高溫強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度耐磨件。
結合國家資源，在20Cr3Mo2NiVSi（PH）基礎上，調整化學成分，研制成功20Cr3MnMoV時效硬化鋼，可以實現氮化過程中氮化硬化和時效硬化同時進行，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）退火狀態有良好的切削加工性，固溶處理狀態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行。
（4）表層經氮化強化和時效強化有較高的熱穩定性，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度和耐磨性，表現在熱作模具有很高的使用壽命。設想保留PH鋼的優勢（時效硬化特點），增添深層氮化強化的因素。
為此，設計的時效硬化鋼為低碳高錳的空冷低碳貝氏體/馬氏體復相鋼，添加Cr、Mo、V、Nb時效時形成析出相，氮化時形成氮化物相，同時實現時效硬化和氮化硬化。
空冷低碳貝氏體/馬氏體復相鋼，可獲得優良的強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變，壓低貝氏體開始轉變溫度，以保證在空冷或風冷條件下，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有利于細化組織，提高強韌性，并且可增加晶界面上氮的擴散通道。
所研制的時效硬化滲氮模具鋼20Cr3MnMoV化學成分見表1所示。
表1 試驗鋼與PH鋼的化學成分（質量分數）（%）
2.20Cr3MnMoV鋼熱處理
退火采用780℃保溫3h爐冷，硬度為30～36HRC，適宜機械加工。
模具加工成型后，可留精加工余量直接進行空冷固溶處理，如果精密模具需減少變形和穩定尺寸，可增加600～650℃去應力退火。
固溶處理采用920℃保溫2h，散放空冷，大件可風冷，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行540℃×6～8h時效，時效后空冷，硬度為48～50HRC。時效后進行模具精加工。
（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行。
表2 滲氮工藝規范
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，再進行表面氮化處理，而熱擠壓模和熱鍛模等重負荷熱作模具常要求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行氮化，與一般調質鋼氮化有所不同，因為前者在氮化過程要發生基體時效硬化，而后者在氮化過程中基體回火索氏體一般不會繼續發生變化。
為了確定時效硬化鋼模具氮化變形量，分別進行了時效硬化鋼試棒時效硬化和氮化尺寸變化測量，還對比作了調質鋼試件的氮化尺寸變化測量。試驗結果表明，時效硬化鋼氮化產生的尺寸變化量比一般調質鋼氮化稍大。調質鋼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公差范圍予以控制或氮化前留精磨量。
試驗結果還表明，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。調質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，時效硬化鋼一般優先采用一段氮化。
5.20Cr3MnMoV鋼熱穩定性試驗
20Cr3MnMoV鋼試樣900℃×3h空冷固溶處理后進行了高溫時效試驗。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，在固溶時效狀態下使用，硬度可保持48～50HRC以上，可望比H13鋼更高的強韌性和使用壽命。
（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，并取消了常規油淬工序，簡化了工藝。
（3）20Cr3MnMoV鋼氮化特性優于H13鋼，對于要求氮化層深大于0.2mm，基體又要求更高強化的模具，這種鋼有獨特優勢，氮化層深可達0.2～0.5mm，有廣闊應用前景。
（4）20Cr3MnMoV鋼采用較低溫度加熱空冷固溶處理，代替常規的高溫加熱油淬工序，節能環保，可保證模具有效厚度150mm以內的淬透性，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，又具有優良的氮化特性，在需要表面耐磨而心部更高強化的重載熱作模具和重載耐磨零件，會得到廣泛應用。
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
