H13钢模具的表面热处理

H13钢模具的表面热处理曹光明（潍坊学院机电工程系，山东潍坊261061）摘要：研究了低温化学热处理、高能束流表面处理等对H13钢性能及其模具寿命的影响。低温化学热处理主要介绍了离子渗氮、N-C共渗、N-C-V共渗、O-S-N共渗、S-N-C共渗、多元共渗等,并指出了有利于提高H13钢热作模具寿命的较佳工艺参数；高能束流表面处理主要介绍了激光表面处理、高能束表面合金化及离子注入表面改性处理及其最新进展。关键词：H13钢，化学热处理，高能束流表面处理，热作模具SurfaceHeatTreatmentAppliedtoH13SteelDieCaoGuang-ming(DepartmentofMechanicalandElectricalEngineering,WeifangUniversity,WeifangShandong261061,China)Abstract:TheeffectsonthepropertiesofH13steelanditsdielifespanarestudiedontheaspectsofthermo-chemicaltreatment,highenergydensityheattreatment.Thethermo-chemicaltreatmentincludessuchprocessasionnitriding,nitrocarburizing,nitrocarburizingaddedwithvanadium,oxy-sulpho-nitriding,sulpho-nitrocarburizing,multicomponentcementation.ThepreferabletechnicsparametersareproposedforaboveeveryprocesswhichishelpfultoimprovingthelifespanofH13steeldie.Highenergydensityheattreatmentincludessuchprocessaslasersurfaceheattreatment,surfacealloyingwithhighenergydensityandsurfacemodificationwithionimplantation,andtheirrecentprogressesarealsodiscussed.Keywords:H13steel,thermo-chemicalheattreatment,highenergydensityheattreatment,hot-workingdieH13（4Cr5MoSiV1）钢是目前国内外广泛使用的热作模具钢。因其具有良好的热强性、红硬性、较高的韧性和抗热疲劳性能，广泛用于铝合金的热挤压模和压铸模，工作时温度可达600℃，工作条件恶劣，主要失效形式为磨损（熔损）和热疲劳。这就要求表面具有高硬度、耐蚀、抗粘结等性能。H13钢常规淬火、回火后的硬度一般为42~48HRC，耐磨性不足，模具使用寿命短。鉴于模具失效大都由表面开始，从节省能源和资源，充分发挥材料性能潜力并获得特殊性能和最大经济效益出发，对H13钢模具进行表面改性处理，是综合改善模具寿命的关键。1、表面低温化学热处理低温化学热处理可以提高H13钢的抗热疲劳、耐热磨损和耐蚀性能，且工艺成本低廉，故应用广泛。常用工艺有离子渗氮、N-C共渗（软氮化）、S-N-C共渗以及多元共渗等。1.1离子渗氮H13钢中有较多的Cr、Mo等元素，氮化时能生成丰富稳定的氮化物并使其弥散分布,有利于提高H13钢热作模具的耐磨性、耐蚀性、抗粘结性及抗热疲劳性能。实验表明，在520℃左右对H13钢进行1.5h以上的离子渗氮处理,可以得到最佳的渗氮层组成相及表面硬度。表面化合物层厚度可达6μm,渗氮层总厚度达0.3mm左右。渗氮层的表面硬度随渗氮温度变化出现一极大值，在520℃左右最高，达1100HV0.1以上，而且耐磨性能也最佳[1]。高于570℃离子渗氮，化合物层中易出现网状氮化物，耐磨性下降[2]。某厂用H13钢制造挤压铝型材的空心模，经1080℃油淬+560℃×2h两次回火，硬度为48HRC。经过520℃×4h的离子渗氮，每副模具挤压的型材从1000kg左右提高至4500kg，寿命提高了3倍[1]。表面渗氮并非一次完成，而是在模具使用前期进行至少3~4次的反复渗氮处理，一般要使渗氮层厚度达到0.15~0.20mm。关于离子渗氮层中的化合物对H13钢热疲劳性能的影响，文献[3]采用加氩渗氮以除去化合物层和无氩渗氮两种方法进行了比较。结果发现，无氩渗氮的化合物层虽然能推迟热疲劳裂纹的萌生,阻止热裂纹向基体内部扩展；但多周疲劳后期，表面热裂纹直、宽、多，易于剥落并且扩展快速。因此，含化合物层的离子氮化处理用于H13钢铝合金压铸模应慎重。1.2N-C共渗（软氮化）[4]H13钢热作模具由于渗氮化合物中ε相韧性较低，膨胀系数较大，对热疲劳性能产生不利影响。而软氮化时，由于C在ε相中的溶解度高（550℃时达3.8%），软氮化的表层是C、N共同的化合物，这种化合物韧性好且耐磨。软氮化温度在565℃以下附近较好，既能保证渗速，又能使形成的ε+γ＇相所需的N浓度较高，可以在表层形成ε之前有更多的N渗入基体，这样在第二阶段[N]原子扩散时，有利于形成合理的扩散层。软氮化时间以2~4h为宜，超过6h，渗层不再增加，硬度在2~3h达到最大值。实践证明，用氨气与酒精作渗剂，比较合理的气体软氮化工艺如图1所示。图1H13钢的气体软氮化工艺Fig.1Gasnitro-carburizingprocessforH13steel1.3N-C-V共渗[5]H13钢在常规盐浴N-C共渗时，在以尿素和碳酸盐为主的盐浴中加入适当的含V剂、还原剂及活性剂等，可实现V与N、C的共渗。共渗温度为550~560℃，时间2~4h。由于金60-80滴/分钟酒精3~4h20~30%540℃氨分解率温度/℃1~h时间/h油冷40~45%氨分解率560℃属V原子的渗入，过渡层中N原子的扩散与分布比较均匀，而且形成大量细小、弥散的VC、VN硬质相，使得其它合金氮化物也细小、均匀分布，渗后硬度可达1300HV以上,比普通软氮化进一步提高了模具的热强性和耐磨性。由于在表面以下数十微米深度处仍有大量N、C化合物，使得从表面至心部硬度梯度变化较平缓，也提高了模具表层的承载能力。某铝型材厂的平面模，长期采用气体低温N-C共渗工艺，每共渗一次可挤压铝锭1.5~2.5吨；而采用上述N-C-V工艺后，一次可挤压铝型材5.3吨，寿命提高了1倍多,效益明显。1.4O-S-N共渗[6]H13钢经常规1020℃淬火+560℃两次回火处理后，采用SO2+N2+H2作渗剂（气体流量为H2:N2:SO2=720:90:11），在530~550℃进行2~3h的离子O-S-N共渗，效果最佳。实验表明，渗剂中随着SO2增加，渗层厚度有一最大值；当SO2＜3%时，渗层厚度适当，较致密，且与基体结合力强；当SO2为1.3~1.6%时渗速最快，渗层较厚。共渗2~3h，渗层总厚度可达为0.125~0.137mm，化合物层厚度21μm，FeS层厚度6.25~10μm。由于共渗表面形成FeS和Fe3O4层，具有低硬度、层状与微孔结构，能储油，发挥固体润滑剂的作用，使表面摩擦系数明显降低，与离子渗氮相比，具有抗磨、减摩的特色。1.5S-N-C共渗S-N-C共渗由于时间短，效果好，得到众多行家推荐，应用广泛。目前盐浴法S-N-C共渗工艺较为成熟。实践证明，H13钢盐浴法S、N、C共渗比较适宜的温度为570℃，时间为3h，表面硬度＞950HV，渗层致密，抗粘结性、耐蚀性及抗热疲劳性能均较好。文献[7]采用CS2酒精溶液作滴注剂，氨气作渗剂，进行气体S-N-C共渗试验，得出最佳工艺参数为：温度560℃，CS2浓度为1.2%，滴量为60d/min，氨分解率为30%。此工艺可使模具窄缝面的处理效果提高，基本上使模具内外面渗层深度差控制在15%以内，且渗层总体性能优良，不显脆性。H13钢在液体S-N-C共渗时，加入0.4%左右的稀土，在565℃共渗2h，效果最佳。渗层白亮层厚度8.6μm，扩散层0.151mm，硬度为1650HV5（基体硬度为48~52HRC）。加入稀土后，硬度高，渗层厚，组织更加致密[8]。H13钢经1020℃加热后,在500和200℃两种盐浴中进行两级分级淬火,然后经580和560℃两次回火,硬度46HRC。用武汉材料保护研究所研制的市售专用商品盐添加CeO2，进行570℃×3h液体S-N-C共渗，然后转入350℃熔融氧化性盐中，停留25~30min，进行氧化处理，取出放入室温水中冷却。实验表明，加稀土后，耐磨性及高温抗氧化性能显著提高[9]。稀土S-N-C共渗虽能显著提高渗层的热疲劳性能，但渗层的热熔蚀性能有所下降。共渗后进行350℃×20min氧化处理，硬度为891HV0.05（不氧化的为530HV0.05），能进一步提高其耐热蚀性能。1.6多元共渗比较典型的多元共渗工艺为C、N、O、S、B五元共渗。文献介绍[10]，H13钢870℃预热，1040℃真空油冷淬火至150℃出炉，590℃2次回火，硬度为48~52HRC。然后进行多元共渗并加RECl3催渗，试验得出最佳多元共渗温度为550±10℃，最佳时间为5h，滴量为90d/min，共渗剂配比为H3CNO:(NH2)2CS:H3BO3:RECl3=2000g:300g:16g:25g。共渗后渗层深度为0.89mm，硬度为58~62HRC。与C、N、S三元共渗相比，一套组合模挤压的铝型材由平均19吨提高至32.5吨；一套平面模由22.5吨提高至35吨；提高55~75%。H13钢经五元共渗后，在工件表面形成硼化物、碳化物和氮化物，起到弥散强化作用，对比试验表明，硬化效果比气体渗氮和S、C、N三元共渗都好,在560℃及600℃时保持，硬度下降平缓，红硬性、耐磨性明显提高。虽然热疲劳裂纹起源较早,但不向纵深扩展,因而也改善了热疲劳抗力。用多元共渗工艺处理的H13钢热挤压模，与普通渗氮相比，使用寿命提高5~6倍[11]。2、高能束流表面处理2.1激光表面处理近年来，随着工业用大功率激光器的价格下降及激光应用技术的日趋成熟，模具表面的激光淬火、激光熔敷技术也有了较大发展。H13钢常规处理后硬度44HRC，经激光淬火，表面硬度可达772HV（相当于62HRC）。由于得到以超细化高密度位错型马氏体为主的组织，以及激光加热后自回火过程中析出弥散碳化物，使得淬硬层硬度、抗回火稳定性、耐磨性及抗蚀性均显著提高。激光熔覆技术通过在模具表面覆盖一层具有一定性能的熔覆材料，以改善表面性能。与等离子喷焊相比,激光熔覆可实现热输入的准确和局部控制，节省高性能材料，其涂层缺陷率低,组织细密均匀,成分稀释率小,热影响区小,涂层强韧性明显提高。激光熔覆技术以其加工精度高，热变形小，后续加工量少等特点具有很大的潜在应用价值，目前研究也比较热门,但距离大规模实际应用还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发展的新兴技术，主要能源是激光束和电子束。强流脉冲电子束辐照处理技术作为一项新的电子束表面改性技术，日益受到国内外重视。对于H13钢模具尤其铝合金压铸模，可以先在电弧离子镀设备上沉积一层铝膜，然后采用电子束辐照处理技术，在真空条件下对模具表面进行15次的轰击处理。铝在微秒级脉宽电子束作用下瞬时加热到高温,熔入基体表面，实现表面的铝合金化,靠金属基体良好的导热性快速冷却。同时，脉冲电子束在基体表面还会产生冲击波及冲击振动效应,使表面形成压应力。这样复合处理后，在模具表面产生约10μm左右的致密氧化膜，即使在反复加热、冷却的热应力作用下，也不会出现氧化膜的开裂与脱落现象，有效地改善了模具表面的抗氧化能力、热疲劳抗力、耐磨性等力学性能[12]。2.3离子注入表面改性处理金属表面离子注入改性技术日益受到重视，成为目前最活跃的研究方