試談h13鋼模具的表面熱處理

H13鋼模具的表面熱處理曹光明（濰坊學院 機電工程系，山東 濰坊 ）摘要：研究了低溫化學熱處理、高能束流表面處理等對H13鋼性能及其模具壽命的影響。低溫化學熱處理主要介紹了離子滲氮、N-C共滲、N-C-V共滲、O-S-N共滲、S-N-C共滲、多元共滲等,并指出了有利于提高H13鋼熱作模具壽命的較佳工藝參數；高能束流表面處理主要介紹了激光表面處理、高能束表面合金化及離子注入表面改性處理及其最新進展。關鍵詞：H13鋼，化學熱處理，高能束流表面處理，熱作模具Surface Heat Treatment Applied to H13 Steel DieCao Guang-ming(Department of Mechanical and Electrical Engineering, Weifang University, Weifang Shandong , China)Abstract: The effects on the properties of H13 steel and its die lifespan are studied on the aspects of thermo-chemical treatment, high energy density heat treatment. The thermo-chemical treatment includes such process as ion nitriding, nitrocarburizing, nitrocarburizing added with vanadium, oxy-sulpho-nitriding, sulpho-nitrocarburizing, multicomponent cementation. The preferable technics parameters are proposed for above every process which is helpful to improving the lifespan of H13 steel die. High energy density heat treatment includes such process as laser surface heat treatment, surface alloying with high energy density and surface modification with ion implantation, and their recent progresses are also discussed. Key words: H13 steel, thermo-chemical heat treatment , high energy density heat treatment, hot-working dieH13（4Cr5MoSiV1）鋼是目前國內外廣泛使用的熱作模具鋼。因其具有良好的熱強性、紅硬性、較高的韌性和抗熱疲勞性能，廣泛用于鋁合金的熱擠壓模和壓鑄模，工作時溫度可達600，工作條件惡劣，主要失效形式為磨損（熔損）和熱疲勞。這就要求表面具有高硬度、耐蝕、抗粘結等性能。H13鋼常規(guī)淬火、回火后的硬度一般為4248HRC，耐磨性不足，模具使用壽命短。鑒于模具失效大都由表面開始，從節(jié)省能源和資源，充分發(fā)揮材料性能潛力并獲得特殊性能和最大經濟效益出發(fā)，對H13鋼模具進行表面改性處理，是綜合改善模具壽命的關鍵。1、表面低溫化學熱處理低溫化學熱處理可以提高H13鋼的抗熱疲勞、耐熱磨損和耐蝕性能，且工藝成本低廉，故應用廣泛。常用工藝有離子滲氮、N-C共滲（軟氮化）、S-N-C共滲以及多元共滲等。1.1 離子滲氮H13鋼中有較多的Cr、Mo等元素，氮化時能生成豐富穩(wěn)定的氮化物并使其彌散分布,有利于提高H13鋼熱作模具的耐磨性、耐蝕性、抗粘結性及抗熱疲勞性能。實驗表明，在520左右對H13鋼進行1.5h以上的離子滲氮處理,可以得到最佳的滲氮層組成相及表面硬度。表面化合物層厚度可達6m,滲氮層總厚度達0.3mm左右。滲氮層的表面硬度隨滲氮溫度變化出現一極大值，在520左右最高，達1100HV0.1以上，而且耐磨性能也最佳1。高于570離子滲氮，化合物層中易出現網狀氮化物，耐磨性下降2。某廠用H13鋼制造擠壓鋁型材的空心模，經1080油淬+ 5602h兩次回火，硬度為48HRC。經過5204h的離子滲氮，每副模具擠壓的型材從1000kg左右提高至4500kg，壽命提高了3倍1。表面滲氮并非一次完成，而是在模具使用前期進行至少34次的反復滲氮處理，一般要使?jié)B氮層厚度達到0.150.20mm。關于離子滲氮層中的化合物對H13鋼熱疲勞性能的影響，文獻3采用加氬滲氮以除去化合物層和無氬滲氮兩種方法進行了比較。結果發(fā)現，無氬滲氮的化合物層雖然能推遲熱疲勞裂紋的萌生,阻止熱裂紋向基體內部擴展；但多周疲勞后期，表面熱裂紋直、寬、多，易于剝落并且擴展快速。因此，含化合物層的離子氮化處理用于H13鋼鋁合金壓鑄模應慎重。1.2 N-C共滲（軟氮化）4 H13鋼熱作模具由于滲氮化合物中相韌性較低，膨脹系數較大，對熱疲勞性能產生不利影響。而軟氮化時，由于C在相中的溶解度高（550時達3.8%），軟氮化的表層是C、N共同的化合物，這種化合物韌性好且耐磨。軟氮化溫度在565以下附近較好，既能保證滲速，又能使形成的+相所需的N濃度較高，可以在表層形成之前有更多的N滲入基體，這樣在第二階段N原子擴散時，有利于形成合理的擴散層。軟氮化時間以24h為宜，超過6h，滲層不再增加，硬度在23h達到最大值。實踐證明，用氨氣與酒精作滲劑，比較合理的氣體軟氮化工藝如圖1所示。 圖 1 H13鋼的氣體軟氮化工藝 Fig.1 Gas nitro-carburizing process for H13 steel1.3 N-C-V共滲5 H13鋼在常規(guī)鹽浴N-C共滲時，在以尿素和碳酸鹽為主的鹽浴中加入適當的含V劑、還原劑及活性劑等，可實現V與N、C的共滲。共滲溫度為550560，時間24h。由于金屬V原子的滲入，過渡層中N原子的擴散與分布比較均勻，而且形成大量細小、彌散的VC、VN硬質相，使得其它合金氮化物也細小、均勻分布，滲后硬度可達1300HV以上,比普通軟氮化進一步提高了模具的熱強性和耐磨性。由于在表面以下數十微米深度處仍有大量N、C化合物，使得從表面至心部硬度梯度變化較平緩，也提高了模具表層的承載能力。 某鋁型材廠的平面模，長期采用氣體低溫N-C共滲工藝，每共滲一次可擠壓鋁錠1.52.5噸；而采用上述N-C-V工藝后，一次可擠壓鋁型材5.3噸，壽命提高了1倍多,效益明顯。1.4 O-S-N共滲6 H13鋼經常規(guī)1020淬火+560兩次回火處理后，采用SO2+N2+H2作滲劑（氣體流量為H2:N2 :SO2=720:90:11），在530550進行23h的離子O-S-N共滲，效果最佳。實驗表明，滲劑中隨著SO2增加，滲層厚度有一最大值；當SO23%時，滲層厚度適當，較致密，且與基體結合力強；當SO2為1.31.6%時滲速最快，滲層較厚。共滲23h，滲層總厚度可達為0.1250.137mm，化合物層厚度21m，FeS層厚度6.2510m。由于共滲表面形成FeS和Fe3O4層，具有低硬度、層狀與微孔結構，能儲油，發(fā)揮固體潤滑劑的作用，使表面摩擦系數明顯降低，與離子滲氮相比，具有抗磨、減摩的特色。1.5 S-N-C共滲S-N-C共滲由于時間短，效果好，得到眾多行家推薦，應用廣泛。目前鹽浴法S-N-C共滲工藝較為成熟。實踐證明，H13鋼鹽浴法S、N、C共滲比較適宜的溫度為570，時間為3h，表面硬度950HV，滲層致密，抗粘結性、耐蝕性及抗熱疲勞性能均較好。文獻7采用CS2酒精溶液作滴注劑，氨氣作滲劑，進行氣體S-N-C共滲試驗，得出最佳工藝參數為：溫度560，CS2濃度為1.2%，滴量為60d/min，氨分解率為30%。此工藝可使模具窄縫面的處理效果提高，基本上使模具內外面滲層深度差控制在15%以內，且滲層總體性能優(yōu)良，不顯脆性。H13鋼在液體S-N-C共滲時，加入0.4%左右的稀土，在565共滲2h，效果最佳。滲層白亮層厚度8.6m，擴散層0.151mm，硬度為1650HV5（基體硬度為4852HRC）。加入稀土后，硬度高，滲層厚，組織更加致密8。H13鋼經1020加熱后,在500和200兩種鹽浴中進行兩級分級淬火,然后經580和560兩次回火,硬度46HRC。用武漢材料保護研究所研制的市售專用商品鹽添加CeO2，進行5703h液體S-N-C共滲，然后轉入350熔融氧化性鹽中，停留2530min，進行氧化處理，取出放入室溫水中冷卻。實驗表明，加稀土后，耐磨性及高溫抗氧化性能顯著提高 9。稀土S-N-C共滲雖能顯著提高滲層的熱疲勞性能，但滲層的熱熔蝕性能有所下降。共滲后進行35020min氧化處理，硬度為891HV0.05（不氧化的為530HV0.05），能進一步提高其耐熱蝕性能。1.6 多元共滲比較典型的多元共滲工藝為C、N、O、S、B五元共滲。文獻介紹10，H13鋼870預熱，1040真空油冷淬火至150出爐，5902次回火，硬度為4852HRC。然后進行多元共滲并加RECl3催滲，試驗得出最佳多元共滲溫度為55010，最佳時間為5h，滴量為90d/min，共滲劑配比為H3CNO:(NH2)2CS:H3BO3:RECl3=2000g:300g:16g:25g。共滲后滲層深度為0.89mm，硬度為5862HRC。與C、N、S三元共滲相比，一套組合模擠壓的鋁型材由平均19噸提高至32.5噸；一套平面模由22.5噸提高至35噸；提高5575%。H13鋼經五元共滲后，在工件表面形成硼化物、碳化物和氮化物，起到彌散強化作用，對比試驗表明，硬化效果比氣體滲氮和S、C、N三元共滲都好, 在560及600時保持，硬度下降平緩，紅硬性、耐磨性明顯提高。雖然熱疲勞裂紋起源較早,但不向縱深擴展,因而也改善了熱疲勞抗力。用多元共滲工藝處理的H13鋼熱擠壓模，與普通滲氮相比，使用壽命提高56倍11。2、高能束流表面處理2.1 激光表面處理近年來，隨著工業(yè)用大功率激光器的價格下降及激光應用技術的日趨成熟，模具表面的激光淬火、激光熔敷技術也有了較大發(fā)展。H13鋼常規(guī)處理后硬度44HRC，經激光淬火，表面硬度可達772HV（相當于62HRC）。由于得到以超細化高密度位錯型馬氏體為主的組織，以及激光加熱后自回火過程中析出彌散碳化物，使得淬硬層硬度、抗回火穩(wěn)定性、耐磨性及抗蝕性均顯著提高。激光熔覆技術通過在模具表面覆蓋一層具有一定性能的熔覆材料，以改善表面性能。與等離子噴焊相比, 激光熔覆可實現熱輸入的準確和局部控制，節(jié)省高性能材料，其涂層缺陷率低,組織細密均勻,成分稀釋率小,熱影響區(qū)小,涂層強韌性明顯提高。激光熔覆技術以其加工精度高，熱變形小，后續(xù)加工量少等特點具有很大的潛在應用價值，目前研究也比較熱門,但距離大規(guī)模實際應用還需要大量的研究工作。2.2 高能束表面合金化高能束表面合金化是近年發(fā)展的新興技術，主要能源是激光束和電子束。強流脈沖電子束輻照處理技術作為一項新的電子束表面改性技術，日益受到國內外重視。對于H13鋼模具尤其鋁合金壓鑄模，可以先在電弧離子鍍設備上沉積一層鋁膜，然后采用電子束輻照處理技術，在真空條件下對模具表面進行15次的轟擊處理。鋁在微秒級脈寬電子束作用下瞬時加熱到高溫, 熔入基體表面，實現表面的鋁合金化,靠金屬基體良好的導熱性快速冷卻。同時，脈沖電子束在基體表面還會產生沖擊波及沖擊振動效應,使表面形成壓應力。這樣復合處理后，在模具表面產生約10m左右的致密氧化膜，即使在反復加熱、冷卻的熱應力作用下，也不會出現氧化膜的開裂與脫落現象，有效地改善了模具表面的抗氧化能力、熱疲勞抗力、耐磨性等力學性能12。2.3 離子注入表面改性處理金屬表面離子注入改性技術日益受到重視，成為目前最活躍的研究方向之一，在許多精密、關鍵和高附加值的工模具和零部件制造方面取得了突出應用效果，有些已在產業(yè)部門推廣應用，對精密、高性能、長壽命模具具有重要意義。離子注入技術早期研究集中在N離子的注入。對H13鋼等工模具鋼而言，由于在500時約有70%的N原子外擴散，結果N離子注入后表面性能（尤其是摩擦系數和耐磨性能）沒有明顯改善。而Si離子注入可使這類高強度鋼表面的摩擦系數下降4080%，耐磨性也有很大提高。例如，Si及Si+ N離子雙注入H13鋼，顯微硬度分別達到10540HV0.0025和9064 HV0.0025，尤以Si離子注入效果最好，提高幅度達55%。Si及Si+ N離子注入都降低摩擦系數達40%；耐磨性分別提高6.2倍和1.4倍13。金屬蒸汽真空弧放電離子源（MEVVA）問世后，以MEVVA源為基礎的注入機由于設備簡單，束流強大，效率高，成本低，為高劑量金屬離子注入模具鋼的表面強化研究提供了有效手段。一些金屬離子(如Ti+、W+、Mo+、V+等)注入H13鋼后，可以使鋼的表面硬度提高40%以上,摩擦系數降低40%80%,耐磨性提高幾至幾十倍,耐蝕性能和抗高溫氧化性能都有顯著提高14。雙離子(如Ti+C、Ti+N、Mo+C、W+C、V+C等)注入H13鋼， 通過調節(jié)注入離子的不同配比，能獲得更加優(yōu)異的注入層，性能改善比單注入好。用Ti+C和Ti+N注入鋁型材擠壓模，模具總的中間使用壽命平均提高了140%,同時改善了鋁型材的表面光潔度15。近年來，又開展了金屬離子共注入H13鋼的研究，也取得了滿意的結果。參考文獻：1潘應君，吳新杰，張細菊，等. 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