H13钢模具再次氮化处理工艺的制作方法

　　本发明涉及金属材料制造技术领域，具体涉及一种h13钢模具再次氮化处理工艺。

　　背景技术：

　　目前建筑、轨道交通、汽车、船舶等各种领域所需铝型材，基本上都是经过挤压而成形。挤压模具是铝型材行业的核心技术，挤压模具的质量与使用寿命直接影响铝型材的质量和生产成本。挤压模具经设计、机加工、热处理、电加工、试模、修整后，在正式上机使用前，通常需要进行表面渗氮处理，以提高工作面硬度和耐磨性，这种渗氮处理称为初次氮化。经过一段时间的挤压生产后，模具工作带表面的氮化层被磨损减薄，硬度降低，引起挤压型材表面粗糙，因此需要将模具从挤压机上卸下，处理干净后重新进行渗氮处理，称为再次氮化处理。为了延长模具使用寿命，这种再次氮化处理通常会进行1～5次。

　　行业中现在普遍采用的挤压模具材料为h13钢，普遍采用的渗氮处理技术是气体渗氮，属于一种硬氮化。气体氮化处理就是在较高温度下将氨气分解成氮气和氢气，其中的部分活化氮原子被吸附到模具钢表面并扩散进入钢质基体，形成具有高硬度的渗氮层。与初次氮化处理不同，再次氮化处理时，因模具表面已有一定深度的残留氮化层，氮原子浓度较初次氮化高，因此渗氮速度较初次氮化处理慢，所以需要的氮化时间长，从而降低生产效率。对于再次氮化处理方面的技术，行业内一直未开展过深入研究，企业几乎都是根据经验，采用与初次氮化基本相同的工艺对挤压模具进行再次氮化处理，容易出现渗氮层厚度薄、硬度低、脆性高、氨气利用率低等问题。因此，针对挤压模具再次氮化处理开展技术研发并提出创新性工艺技术，是铝型材行业急需的重要课题。

　　已有研究表明，稀土元素可以加速钢表面的渗碳、渗氮、渗硼过程，但一般是加在渗剂中促进多元共渗。在渗剂中加入适量稀土元素，可通过多元共渗形成韧性较好的表面硬化层和白亮层，这就是所谓的气体软氮化，但其配方复杂，工艺操作不易掌控，在铝型材挤压模具行业应用少。稀土氧化物、稀土氯化物等都对渗氮过程有促进作用，但已有的报道对具体实施方法、实施效果均没有详细描述，对铝型材挤压模具的气体硬氮化，尤其是再次氮化工艺更没有明确报道。

　　技术实现要素：

　　本发明要解决的技术问题是为了解决目前国内铝型材挤压模具再次氮化处理时间长，硬度低，效率低等问题，提出一种采用涂覆稀土氯化物的预处理工序的h13钢模具再次氮化处理新工艺。

　　为解决上述技术问题所采用的技术方案：一种h13钢模具再次氮化处理工艺，其特征在于：所述h13钢模具在氮化处理前，其工作带表面涂覆有稀土氯化物。

　　可优选地，所述稀土氯化物中的稀土元素为ce、la、y中的至少一种。

　　所涂的稀土氯化物为中性有机溶剂，稀土氯化物在该熔剂中的比例为20～45克/升。

　　可优选地，所述稀土氯化物在熔剂中的比例为30～40克/升。

　　具体的，包括如下步骤：

　　步骤一：将钢模具工作带表面打磨至粗糙度为0.4～0.8μm；

　　步骤二：在钢模具的工作带表面涂覆稀土氯化物，风干固化；

　　步骤三：将钢模具放入氮化炉内，先排气，然后升温至450～520℃，保温0.5～2.0小时，控制氨分解率30～40％；

　　步骤四：继续升温至530～560℃，保温1～6小时，氨分解率控制为35～45％；

　　步骤五：钢模具随炉冷却，并保持通氨气，每降低50℃，氨分解率相应降低3～5％，降温至200～120℃后，通入空气冷却至常温。

　　可优选地，所述步骤三中，升温至480～510℃，保温0.5～1.0小时，控制氨分解率30～35％。

　　所述步骤四中，继续升温至550～560℃，保温2～4小时，氨分解率控制为38～42％。

　　所述步骤五中，降温至150～120℃后，通入空气冷却至常温。

　　挤压模具工作面为直接与被挤压材料接触的模具表面，模具工作带表面为变形材料被挤出模具的模孔周边表面，是直接决定挤出型材的形状与尺寸的模具工作面。挤压过程中工作带表面承受剧烈摩擦，其光洁度和硬度直接影响挤出型材的表面质量。因此氮化处理的重点是在工作带表面形成致密硬化层。本发明在模具预处理时在模具的工作带表面涂覆一层稀土氯化物薄膜。稀土元素化学性质活拨，活性高，其离子化合物易分解。高温下这种稀土氯化物易分解，产生高活性的稀土离子，从而增加工作带钢质表面的活性，使其更容易吸附氮原子，并加速氮原子的扩散。因此，采用本发明可以在更短的时间内完成氮化处理，并获得更厚、更致密的渗氮层，提高模具工作表面硬度和耐磨性。

　　在步骤三中**段温度450～520℃下控制氨分解率较低(30～40％)，是为了保证氮原子浓度足够高，以便钢质表面吸附更多活性氮原子；在步骤四中第二段温度530～560℃下，因温度较高，将氨分解率控制在较高范围(35～45％)，以便在保证氮原子浓度情况下提高氨气利用率；步骤五冷却过程中随温度降低而降低氨分解率，是为了保证活性氮原子浓度，以获得致密的表面氮化物硬化层。

　　与传统再次氮化技术相比，本发明的技术优势如下：(1)氮化时间短。通常，采用与初次氮化处理相同的工艺，从排气、升温、保温、冷却出炉，一般需要15～25小时甚至更长，而采用本发明的再次氮化工艺，整个处理时间不多于10小时，因此可显著提高生产效率；(2)工艺操作简单。本发明的预处理打磨、两段式氮化处理温度和氨分解率控制方法都与常规工艺相同，只有打磨后在工作带表面涂覆稀土氯化物和更后的冷却过程氨分解率控制方法与常规工艺不同。这两个环节的操作均极其简单，无须增加特殊装置，且成本低廉。(3)氮化效果更好。采用传统氮化工艺，再次氮化处理的模具工作带表面可形成0.1～0.3mm的渗氮层，但更表层一般不能形成高硬度的白亮层(铁氮化物层)，或者白亮层较薄，不致密，因此耐磨性能较低；而采用本发明的再次氮化工艺，模具工作带表面可形成0.2～0.6mm的渗氮层，且更表层可形成一层10～20微米厚的坚硬致密的白亮氮化物层，硬度高达1100～1200hv，因此可使挤出铝型材获得接近镜面的光亮表面。

　　具体实施方式

　　下面通过对比实施来对本发明作进一步的说明：

　　**组试验针对四套挤压模具：a、b为同样经过了两轮挤压和两次氮化处理后的两套相同挤压模具，c为经过了三轮挤压和三次氮化的模具，d为经过了四轮挤压和四次氮化的模具。按照本发明的工艺，将四套模具工作表面均打磨至粗糙度为0.4～0.8μm，在a、c、d三套模具的工作带表面和选择的测试部位涂覆预配好的氯化镧酒精溶液，b模具不涂覆；自然风干后与其它待处理的模具一起装框并放入氮化炉；先排气0.5小时，然后升温至510℃，保温0.5小时，控制氨分解率32％；再继续升温至545℃，保温3小时，氨分解率控制为45％；到温后切段电源，模具随炉冷却，并保持通氨气，每降低50℃，将氨分解率降低3％；更后降温至150℃后通入空气冷却至室温。出炉后进行硬度测试，并跟踪记录挤压效果。结果如表1所示。

　　第二组试验采用小试片进行。从一套经过两轮挤压和两次氮化处理后因开裂报废的挤压模具的工作带部位切取两块片状试样，分别编号为e、f。其中e试样按上述a、c、d模具的预处理工艺经打磨和涂覆，f试样不涂覆，然后随其它模具一起装炉。先排气0.5小时，然后升温至510℃，保温0.5小时，控制氨分解率32％；再继续升温至545℃，保温3小时，氨分解率控制为42％；到温后切段电源，模具随炉冷却，并保持通氨气，氨分解率保持45％不变。冷却至150℃后关闭氨气，通入空气冷却至室温。出炉后对试样表面进行硬度测试。结果如表2所示。

　　表1**组试验结果

　　表2第二组试验结果

　　如表1所示，按照本发明的工艺对使用过2～4次的实施例a、c、d三套挤压模具进行再次氮化处理，均获得高硬度的工作表面，耐磨性能优异；而未按本发明涂覆稀土氯化物(氯化镧)的对比例b模具，表面硬度明显较低，且在下一次氮化前完成的型材挤压重量比a、c、d三套挤压模具少将近1倍，体现了本发明的技术优势。