滲碳、碳氮共滲是目前機(jī)械制造工業(yè)中較廣泛應(yīng)用的一種化學(xué)熱處理方法，具有表面硬度高，耐磨性、韌性好，從表面到基體硬度過(guò)度平緩等優(yōu)點(diǎn)，能在沖擊載荷和疲勞工況下服役，在齒輪、軸承、鋼領(lǐng)圈等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，顯著提高零件的使用壽命。
1.模具鋼滲碳-碳氮共滲改性熱處理背景
目前的滲碳、碳氮共滲技術(shù)，多用于碳含量較低的滲碳鋼（例如：16MnCr5、20MnCr5、19CrNi3、20、20Cr、20CrMo、22CrMoH、20CrMnTi、8620H、17CrNiMo6、20Cr2Ni4等），碳含量和合金含量較低，滲碳或碳氮共滲后表面碳濃度升高，經(jīng)淬火+低溫回火后（120～200℃），表面硬度大于58HRC，而心部韌性高、滲層厚度可控制在0.5～2.0mm，疲勞壽命高，可承受重載荷摩擦磨損。但常規(guī)滲碳、碳氮共滲技術(shù)溫度控制在820～930℃，碳勢(shì)CP=0.8%～1.3%，較高、在熱作模具鋼上難以應(yīng)用，易產(chǎn)生不良組織，降低模具壽命。
熱作模具鋼包括熱鍛模、熱擠壓模和熱鑄模三種，該標(biāo)識(shí)模屬于熱擠壓模具，在重載荷（2000kN）及高溫摩擦磨損工況下服役，標(biāo)識(shí)模棱角很容易塌陷和破碎，選用性能優(yōu)良的熱作模具鋼，模具壽命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%，且嚴(yán)重影響鍛件生產(chǎn)效率，鍛件生產(chǎn)制造成本較高。
隨著滲碳、碳氮共滲技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了滲碳-碳氮共滲復(fù)合熱處理技術(shù)，其工藝具有處理溫度低、滲速快等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能有效抑制單一滲碳和單一碳氮共滲中易產(chǎn)生的組織缺陷，滲層濃度梯度和硬度梯度平緩，滲層與基體結(jié)合強(qiáng)度較高、表面殘余應(yīng)力高，綜合力學(xué)性能好。
對(duì)于含碳量較低、合金元素較少且要求滲層大于1.0mm的低碳合金鋼零件可采用滲碳-碳氮共滲復(fù)合熱處理。前期進(jìn)行高溫高碳勢(shì)滲碳，使?jié)B層表面獲得足夠的碳濃度，后期碳氮共滲擴(kuò)散，這樣既可增厚滲層，平緩碳濃度梯度，同時(shí)抑制了塊狀和網(wǎng)狀碳化物的出現(xiàn)。由于碳氮共滲在擴(kuò)散時(shí)期進(jìn)行，大大提高了共滲速度，共滲采用較低的碳勢(shì)和氨氣通入量，可有效抑制黑色組織形成。復(fù)合熱處理使表層、次表層都具有很高的硬度，提高了該區(qū)域的強(qiáng)度、硬度和殘余壓應(yīng)力，將抑制疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而提高了疲勞強(qiáng)度。復(fù)合處理的共析層一般在0.20～0.35mm，平緩的碳濃度和硬度梯度減緩了小能量多沖擊裂紋和彎曲疲勞裂紋的生成。
通過(guò)對(duì)滲碳-碳氮共滲復(fù)合熱處理技術(shù)的研究，目前未發(fā)現(xiàn)該技術(shù)在熱作模具鋼表面改性熱處理生產(chǎn)應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道，若選用合適的熱鍛標(biāo)識(shí)模具材料，并設(shè)計(jì)合理的滲碳-碳氮共滲復(fù)合熱處理工藝用于熱鍛模具表面改性處理，可顯著提高熱鍛標(biāo)識(shí)模壽命，降低鍛件制造成本。
鑒于此，本文介紹了一種熱鍛標(biāo)識(shí)模具鋼的滲碳-碳氮共滲改性熱處理方法。該方法采用Unimax鉻鉬釩合金工具鋼加工制成標(biāo)識(shí)模鑲塊經(jīng)調(diào)質(zhì)預(yù)備熱處理后進(jìn)行滲碳-碳氮共滲復(fù)合熱處理。其制備方法包括以下步驟：標(biāo)識(shí)模鑲塊的選材及加工、調(diào)質(zhì)預(yù)備熱處理、滲碳-碳氮共滲復(fù)合熱處理、熱鍛工藝試驗(yàn)。本發(fā)明不僅提高該模具表面硬度至60～65HRC，心部50～55HRC，滲層厚度達(dá)0.6～0.8mm，還可大大提高該模具承受重載荷（2000kN）和沖擊載荷高溫摩擦磨損能力，進(jìn)一步提高擺碾標(biāo)識(shí)模具壽命2～5倍，降低模具成本80%以上。
2.工藝試驗(yàn)
試驗(yàn)1：熱作模具鋼UNIMAX加工成標(biāo)識(shí)模成品→調(diào)質(zhì)預(yù)備熱處理→滲碳-碳氮共滲復(fù)合熱處理→熱鍛工藝試驗(yàn)及批量驗(yàn)證。
熱作模具鋼UNIMAX為鉻鉬釩合金工具鋼（wC=0.5%，wSi=0.2%，wMn=0.5%，wCr=5.0%，wMo=2.3%，wV=0.5%，軟退火態(tài)185HBW），其具備如下特性：各個(gè)方向都具有優(yōu)良的韌性與塑性，優(yōu)良的拋光性，良好的耐磨性，熱處理和使用中良好的尺寸穩(wěn)定性，優(yōu)良的淬透性，良好的高溫強(qiáng)度，良好的抗熱疲勞性，良好的抗回火軟化性，適用于長(zhǎng)壽命、高硬度和高韌性的熱作模具。
（1）標(biāo)識(shí)模鑲塊的選材及加工
將φ80mm規(guī)格Unimax材質(zhì)棒料（wC=0.5%，wSi=0.2%，wMn=0.5%，wCr=5.0%，wMo=2.3%，wV=0.5%，軟退火態(tài)185HBW）加工至成品標(biāo)識(shí)模鑲塊，如圖1所示。
圖1 UNIMAX材質(zhì)熱鍛模滲碳-碳氮共滲復(fù)合熱處理標(biāo)識(shí)模
（2）調(diào)質(zhì)預(yù)備熱處理
淬火：預(yù)熱溫度600～650℃和850～900℃，奧氏體化溫度 ：1020℃，保溫時(shí)間30min，在真空爐中N2淬火冷卻，在800～500℃溫度范圍內(nèi)，冷卻速度1.1℃/s；回火：525℃×2h兩次，硬度56～58HRC；力學(xué)性能：屈服強(qiáng)度Rp0.2=1720～1780MPa，抗拉強(qiáng)度Rm=2050～2510MPa，伸長(zhǎng)率A5=8%～9%，面積收縮比Z=28%～40%；高溫硬度隨時(shí)間的變化：550℃/56HRC降至54HRC×15h，600℃/55HRC降至45HRC×15h，650℃/45HRC降至32HRC×15h。
（3）滲碳-碳氮共滲復(fù)合熱處理
工藝曲線如圖2所示，將UBE-1000滴注式氣體滲碳氮化爐升溫至920℃，氣氛碳勢(shì)恢復(fù)至CP1.02%，保溫30min后，打開爐門裝入經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)預(yù)備熱處理的標(biāo)識(shí)模，爐內(nèi)溫度降低≥650℃。關(guān)閉爐門升溫至800℃時(shí)，通入甲醇開始排氣，甲醇滴量MAX3000mL/h。升溫至920℃時(shí)進(jìn)行均溫20min，CP1.02%，調(diào)整甲醇MAX滴量，并滴入滲碳劑丙烷MAX5L/min，氣氛碳勢(shì)CP1.02%。進(jìn)行強(qiáng)滲3h，調(diào)整丙烷滴量MAX4L/min，氣氛碳勢(shì)CP0.9%，進(jìn)行擴(kuò)散2h。降溫至870℃，調(diào)整丙烷滴量MAX3L/min，壓力0.2MPa，氨氣MAX2L/min，壓力0.1MPa氣氛碳勢(shì)CP0.8%，擴(kuò)散2h。降溫至820℃，調(diào)整丙烷滴量MAX3000mL/min，氣氛碳勢(shì)CP0.75%，保溫40min，直接淬火15min，淬火冷卻介質(zhì)KR468分級(jí)淬火油，油溫控制在80～120℃，瀝油15min，出爐清洗、回火（160～180）℃×（4～6）h，即得到經(jīng)滲碳-碳氮共滲復(fù)合熱處理的熱鍛標(biāo)識(shí)模具鑲塊，并取樣一件進(jìn)行理化檢測(cè)。共滲層深如圖3所示，共滲層硬度梯度如圖4所示，共滲層表面金相組織如圖5所示。
圖2 熱鍛標(biāo)識(shí)模具鋼滲碳-碳氮共滲復(fù)合熱處理工藝曲線
圖3 UNIMAX材質(zhì)熱鍛標(biāo)識(shí)模滲碳-碳氮共滲層深
圖4 UNIMAX材質(zhì)熱鍛標(biāo)識(shí)模滲碳-碳氮共滲層硬度梯度
圖5 UNIMAX材質(zhì)熱鍛標(biāo)識(shí)模滲碳-碳氮共滲層組織
（4）熱鍛工藝試驗(yàn)及批量驗(yàn)證
將經(jīng)滲碳-碳氮共滲復(fù)合熱處理的UNIMAX材質(zhì)模具鑲塊安裝在DWY99-200A擺動(dòng)碾壓機(jī)上，下料φ65mm規(guī)格42CrMoH材質(zhì)棒料局部加熱至1050℃在SM1250水平開模鍛機(jī)上進(jìn)行鐓粗。然后在DWY99-200A擺動(dòng)碾壓機(jī)上進(jìn)行盤式半軸的擺盤與標(biāo)識(shí)鍛造成形，并對(duì)熱磨損失效件模具鑲塊進(jìn)行金相組織分析。表面出現(xiàn)熱疲勞龜裂現(xiàn)象（見(jiàn)圖6），但高溫摩擦磨損能力依然很高，表面碳化物、碳氮化合物呈顆粒狀彌散分布狀態(tài)。與調(diào)質(zhì)態(tài)H13材質(zhì)模具鑲塊比較，在同樣工況下模具壽命提高4～5倍，模具消耗降成本3元/件左右，目前已運(yùn)行1.5年，為公司節(jié)約模具消耗成本35萬(wàn)元左右。
圖6 UNIMAX材質(zhì)熱鍛標(biāo)識(shí)模滲碳-碳氮共滲層表面金相組織
試驗(yàn)2：熱作模具鋼DIEVAR加工成標(biāo)識(shí)模成品→調(diào)質(zhì)預(yù)備熱處理→滲碳-碳氮共滲復(fù)合熱處理→熱鍛工藝試驗(yàn)。
熱作模具鋼DIEVAR是一種新型熱作模具鋼，是一種高性能的鉻鉬釩合金工具鋼，具有良好的抗熱裂紋、開裂、熱磨損和塑性變形能力。具有以下特點(diǎn)：在各個(gè)方向上都有優(yōu)異的韌性和延展性，好的抗回火性能，良好的高溫強(qiáng)度，優(yōu)異的淬透性，熱處理、表面涂覆后良好的尺寸穩(wěn)定性。適用于高要求的壓鑄、熱鍛和熱擠壓模具。
同試驗(yàn)1制作步驟并進(jìn)行了熱鍛工藝試驗(yàn)，DIEVAR材質(zhì)熱鍛標(biāo)識(shí)模具鑲塊，與調(diào)質(zhì)態(tài)該材質(zhì)模具鑲塊比較，在同樣工況下模具壽命提高3～4倍，模具消耗降成本2.2元/件左右。
試驗(yàn)3：熱作模具鋼H13加工成標(biāo)識(shí)模成品→調(diào)質(zhì)預(yù)備熱處理→滲碳-碳氮共滲復(fù)合熱處理→熱鍛工藝試驗(yàn)。
熱作模具鋼H13為鉻鉬釩合金工具鋼，目前廣泛應(yīng)用的熱擠壓模，韌性和延展性很高，成分牌號(hào)符合4Cr5MoSiV1。
同試驗(yàn)1制作步驟并進(jìn)行了熱鍛工藝試驗(yàn)，H13材質(zhì)熱鍛標(biāo)識(shí)模具鑲塊（滲層硬度梯度見(jiàn)圖7），與調(diào)質(zhì)態(tài)該材質(zhì)模具鑲塊比較，在同樣工況下模具壽命提高2～3倍，模具消耗降成本2.3元/件左右。
圖7 H13材質(zhì)熱鍛標(biāo)識(shí)模滲碳-碳氮共滲層硬度梯度
3.結(jié)語(yǔ)
（1）將該滲碳-碳氮共滲改性熱處理工藝應(yīng)用于UNIMAX材質(zhì)熱鍛標(biāo)識(shí)模具鑲塊，與調(diào)質(zhì)態(tài)H13材質(zhì)模具鑲塊比較，在同樣工況下模具使用壽命提高4～5倍，模具消耗降成本3元/件左右，目前已運(yùn)行1.5年，為公司節(jié)約模具消耗成本35萬(wàn)元左右。
（2）將該滲碳-碳氮共滲改性熱處理工藝應(yīng)用于DIEVAR材質(zhì)熱鍛標(biāo)識(shí)模具鑲塊，與調(diào)質(zhì)態(tài)該材質(zhì)模具鑲塊比較，在同樣工況下模具壽命提高3～4倍，模具消耗降成本2.2元/件左右。
（3）將該滲碳-碳氮共滲改性熱處理工藝應(yīng)用于H13材質(zhì)熱鍛標(biāo)識(shí)模具鑲塊，與調(diào)質(zhì)態(tài)該材質(zhì)模具鑲塊比較，在同樣工況下模具壽命提高2～3倍，模具消耗降成本2.3元/件左右。
（4）將該滲碳-碳氮共滲改性熱處理工藝應(yīng)用于5CrNiMo材質(zhì)熱鍛模，與調(diào)質(zhì)態(tài)該材質(zhì)模具比較，在同樣工況下模具壽命提高4～5倍。
熱鍛標(biāo)識(shí)模具鋼的滲碳-碳氮共滲改性熱處理方法。該方法采用Unimax鉻鉬釩合金工具鋼加工制成標(biāo)識(shí)模鑲塊經(jīng)調(diào)質(zhì)預(yù)備熱處理后進(jìn)行滲碳-碳氮共滲改性熱處理。不僅提高該模具表面硬度至60～65HRC，心部50～55HRC，滲層厚度達(dá)0.6～0.8mm，還可大幅提高該模具承受重載荷（2000kN）和沖擊載荷高溫摩擦磨損能力，進(jìn)一步提高擺碾標(biāo)識(shí)模具使用壽命2～5倍，降低模具成本80%以上。
該方法通過(guò)選用合適的熱鍛標(biāo)識(shí)模具材料，設(shè)計(jì)滲碳-碳氮共滲改性熱處理工藝用于熱鍛模具表面改性熱處理，可顯著提高熱鍛標(biāo)識(shí)模具使用壽命，降低鍛件制造成本。
作者：嚴(yán)超峰、謝余、李棟，陜西東銘車輛系統(tǒng)股份有限公司
包耀宗，鋼鐵研究總院
王歡銳、董立社，陜西漢德車橋有限公司
來(lái)源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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