模具钢渗碳-碳氮共渗改性热处理

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作者:陕西东明车辆系统有限公司严超峰、谢余、李栋

     包耀宗，钢铁研究院

     王欢锐，董立社，陕西汉德车桥有限公司

来源:金属加工(热加工)杂志

渗碳、碳氮共渗是一种广泛应用于机械制造业的化学热处理方法，具有表面硬度高、耐磨、韧性好、从表面到基体硬度过温和、冲击

1.模具钢渗碳-碳氮共渗改性热处理背景

目前，碳氮共渗技术主要用于碳含量低的碳钢（如16）MnCr5、20MnCr5、19CrNi3、20、20Cr、20CrMo、22CrMoH、20CrMnTi、8620H、17CrNiMo6、20Cr2Ni4等），碳含量和合金含量较低，碳或碳氮共渗后表面碳浓度增加，淬火 低温回火后(120~20000℃），表面硬度大于58HRC，心脏韧性高，渗层厚度可控制在0.5～2.0mm，疲劳寿命高，能承受重载摩擦磨损。但常规碳氮共渗技术的温度控制在820~930℃，碳势CP=0.8%～1.3%高，热作模具钢难以应用，容易产生不良组织，降低模具寿命。

热作模具钢包括热锻模具、热挤压模具和热铸模具。该标志模具属于重载(2万kN）在高温摩擦磨损条件下服务，识别棱角易坍塌破碎。选用性能优异的热作模具钢，使用寿命200~500件，模具消耗成本3~6元/件，占零件制造成本的1%.3%～2.7%严重影响锻件的生产效率，锻件制造成本高。

随着碳氮共渗技术的发展，碳氮共渗复合热处理技术的出现，具有处理温度低、渗透速度快的优点，能有效抑制单碳和单碳氮共渗的组织缺陷，渗透浓度梯度和硬度梯度温和，渗透强度高，表面残余应力高，综合力学性能好。

碳含量低，合金元素少，渗层要求大于1.0mm低碳合金钢零件可采用碳氮共渗复合热处理。

碳含量低，合金元素少，渗层要求大于1.0mm的低碳合金钢零件可采用渗碳-碳氮共渗复合热处理。前期进行高温高碳势渗碳，使渗层表面获得足够的碳浓度，后期碳氮共渗扩散，这样既可增厚渗层，平缓碳浓度梯度，同时抑制了块状和网状碳化物的出现。由于碳氮共渗在扩散期间进行，共渗速度大大提高，采用低碳势和氨进入量，可有效抑制黑组织的形成。复合热处理使表面和次表面具有较高的硬度，提高了该区域的强度、硬度和残余压力应力，抑制了疲劳裂纹的发生和扩展，从而提高了疲劳强度。复合处理的共析层一般为0.20～0.35mm，温和的碳浓度和硬度梯度减缓了小能量多冲击裂纹和弯曲疲劳裂纹的产生。

通过对碳氮共渗复合热处理技术的研究，未发现热模钢表面改性热处理生产应用报告，如果选择合适的热锻标志模具材料，设计合理的热锻模具表面改性处理，可显著提高热锻标志模具的使用寿命，降低锻件制造成本。

本文介绍了热锻标识模具钢的渗碳-碳氮共渗改性热处理方法。该方法采用Unimax铬钼钒合金工具钢加工成标识模块，经调质预备热处理后进行碳氮共渗复合热处理。制备方法包括以下步骤：标识模块的材料选择和加工、质量调整和热处理、碳氮共渗复合热处理和热锻工艺试验。本发明不仅将模具表面硬度提高到60~65HRC，心部50～55HRC，渗层厚度达0.6～0.8mm，还可以大大提高模具的重载荷(20000kN）与冲击载荷高温摩擦磨损能力，进一步提高摆磨标识模具的使用寿命2~5倍，降低模具成本80%以上。

2.工艺试验

试验1：热作模具钢UNIMAX加工成标识模成品→调质预备热处理→碳氮共渗复合热处理→热锻工艺试验及批量验证。

热作模具钢UNIMAX铬钼钒合金工具钢（wC=0.5%，wSi=0.2%，wMn=0.5%，wCr=5.0%，wMo=2.3%，wV=0.5%，1855HBW），它具有以下特点：各方向韧性和塑性好，抛光性好，耐磨性好，热处理和使用尺寸稳定性好，淬透性好，高温强度好，耐热疲劳性好，耐回火软化性好，适用于长寿命、高硬度、高韧性的热作模具。

(1)标识模块的材料选择和加工

将φ80mm规格Unimax材质棒料（wC=0.5%，wSi=0.2%，wMn=0.5%，wCr=5.0%，wMo=2.3%，wV=0.5%，1855HBW）加工成品标识模块，如图1所示。

图1 UNIMAX热锻模渗碳-碳氮共渗复合热处理标志 

（2）调质预备热处理

淬火:预热温度600~650℃和850～900℃，奥氏体化温度 ：1020℃，保温时间30min，在真空炉中N2淬火冷却，在800～500℃在温度范围内，冷却速度为1.1℃/s；回火：525℃×2h硬度56~58两次HRC；力学性能：屈服强度Rp0.2=1720～1780MPa，抗拉强度Rm=2050～2510MPa，伸长率A5=8%～9%，面积收缩比Z=28%~40%；高温硬度随时间变化:550℃/56HRC降至54HRC×15h，600℃/55HRC降至45HRC×15h，650℃/45HRC降至32HRC×15h。

(3)碳氮共渗复合热处理

工艺曲线如图2所示。UBE-1000滴注气体渗碳氮化炉升温至9200℃，气氛碳势恢复到CP1.02%，保温30min之后，打开炉门，装入调质预备热处理的标志模，降低炉内温度≥650℃。关闭炉门，升温至8000℃当通入甲醇开始排气时，甲醇滴量MAX3000mL/h。关闭炉门，升温至8000℃时，通入甲醇开始排气，甲醇滴量MAX3000mL/h。升温至920℃时进行均温20min，CP1.调整甲醇02%MAX滴入渗碳剂丙烷MAX5L/min，气氛碳势CP1.02%。进行强渗3h，调整丙烷滴量MAX4L/min，气氛碳势CP0.9%，扩散2h。降温至870℃，调整丙烷滴量MAX3L/min，压力0.2MPa，氨气MAX2L/min，压力0.1MPa气氛碳势CP0.8%，扩散2h。降温至820℃，调整丙烷滴量MAX3000mL/min，气氛碳势CP0.75%，保温40min，直接淬火15min，淬火冷却介质KR468级淬火油，油温控制在80~120℃，沥油15min，出炉清洗、回火(160~180)℃×（4～6）h，即热锻标识模具镶块，经渗碳-碳氮共渗复合热处理，并取样一件进行理化检测。共渗层深如图3所示，共渗层硬度梯度如图4所示，共渗层表面金相组织如图5所示。

图2 钢渗碳-碳氮共渗复合热处理工艺曲线

图3 UNIMAX热锻标志模渗碳-碳氮共渗深度   

图4 UNIMAX热锻标识模渗碳-碳氮共渗硬度梯度

图5 UNIMAX材料热锻标渗碳-碳氮共渗层组织

(4)热锻工艺试验及批量验证

碳氮共渗复合热处理UNIMAX安装材料模具镶块DWY99-200A摆动碾压机，下料φ65mm规格42CrMoH材料棒局部加热至1050℃在SM在1250级开模锻机上进行镦粗。然后在DWY99-200A盘式半轴的摆盘和标志锻造在摆动碾压机上，热磨损失模具镶块的金相组织分析。然后在DWY99-200A盘式半轴的摆盘和标志锻造在摆动碾压机上，热磨损失效模具镶块的金相组织分析。表面出现热疲劳裂纹(见图6)，但高温摩擦磨损能力仍然很高，表面碳化物和碳氮化合物呈颗粒状分布。与调质态H相比之下，13种材料的模具镶块在同一条件下的使用寿命提高了4~5倍，模具消耗降低了约3元/件的成本。目前已运行1.为公司节省模具消耗成本约35万元5年。

图6 UNIMAX热锻标识模渗碳-碳氮共渗层表面金相组织

试验2：热作模具钢DIEVAR加工成标识模成品→调质预备热处理→碳氮共渗复合热处理→热锻工艺试验。

热作模具钢DIEVAR是一种耐热裂纹、开裂、热磨损、塑性变形能力好的新型热作模具钢。具有以下特点：韧性和延展性好，耐回火性好，高温强度好，淬火性好，热处理和表面涂层后尺寸稳定性好。适用于高要求的压铸、热锻和热挤压模具。

同试验1的生产步骤和热锻工艺试验，DIEVAR材料热锻标志模具镶块，与材料模具镶块相比，在相同条件下模具寿命提高3~4倍，模具消耗降低成本2.2元/件左右。

试验3：热作模具钢H13加工成标识模成成成品成品→调质预备热处理→碳氮共渗复合热处理→热锻工艺试验。

热作模具钢H13是铬钼钒合金工具钢，广泛应用于热挤压模具，韧性和延展性高，成分品牌符合4Cr5MoSiV1。

同试验1的生产步骤和热锻工艺试验，H13材料热锻标志模具镶块（渗透硬度梯度见图7），与材料模具镶块相比，模具寿命提高2~3倍，模具消耗成本降低2倍.3元/件左右。

图7 H13热锻标识模渗碳-碳氮共渗层硬度梯度

3.结语

(1)应用碳氮共渗改性热处理工艺UNIMAX材料热锻标志模具镶块，质量调整状态H与13种材料模具镶块相比，在相同的工况下，模具的使用寿命提高了4~5倍，模具降低了约3元/件的成本

(2)应用碳氮共渗改性热处理工艺DIEVAR材料热锻标志模具镶块，与材料模具镶块相比，在相同条件下模具寿命提高3~4倍，模具消耗降低成本2.2元/件左右。

(3)应用碳氮共渗改性热处理工艺H13材料热锻标志模具镶块，与材料模具镶块相比，模具寿命在同一条件下提高2~3倍，模具消耗降低成本2.3元/件左右。

(4)将碳氮共渗改性热处理工艺应用于5CrNiMo与调质模具相比，热锻模具在同一工况下的使用寿命提高了4~5倍。

(4)将碳氮共渗改性热处理工艺应用于5CrNiMo与调质模具相比，热锻模具在同一工况下的使用寿命提高了4~5倍。

热锻模具钢渗碳-碳氮共渗改性热处理方法。该方法采用Unimax铬钼钒合金工具钢加工成标识模块，经调质预备热处理后进行碳氮共渗改性热处理。不仅将模具表面硬度提高到60~65HRC，心部50～55HRC，渗层厚度达0.6～0.8mm，还可以大大提高模具的重载荷(20000kN）高温摩擦磨损能力和冲击载荷，进一步提高摆磨标识模具的使用寿命2~5倍，降低模具成本80%以上。

该方法通过选择合适的热锻标志模具材料，设计热锻模具表面改性热处理采用碳碳氮共渗改性热处理工艺，可显著提高热锻标志模具的使用寿命，降低锻件制造成本。