H13模具钢低温盐浴氮碳钒共渗工艺研究

《热加工工艺》2006年第35卷第10期 HeatTreatmentHeatTreatment 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 热处理(5) H13模具钢低温盐浴氮碳钒共渗工艺研究 李延辉 1,刘金水 1,2,周惦武 1,张楚惠 1,林峰 3 (1.湖南大学 材料科学与工程学院,湖南 长沙 410082;2.长沙振升铝业有限公司,湖南 长沙 410000; 3.武汉材料保护研究所,湖北 武汉430030) 摘 要:探讨了H13模具钢的低温盐浴氮碳钒共渗工艺,并对渗层组织、硬度、渗层中的元素分布以及物相组 成等进行了研究。结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明:低温盐浴氮碳钒共渗工艺明显提高了H13模具钢的显微硬度,并且渗层中的物相有 利于提高模具的热疲劳性能和耐磨性,采用该工艺处理H13热作模具,使用寿命有了明显改善。 关键词:低温盐浴;氮碳钒共渗;H13模具钢 中图分类号:TG156.8 文献标识码:A 文章编号:1001-3814(2006)10-0037-03 StudyonVanadium-nitrocarburizinginLowTemperatureSalt-bathforDieSteelH13 LIYan-hui1,LIUJin-shui1,2,ZHOUDian-wu1,ZHANGChu-hui1,LINFeng3 (1.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,China; 2.ChangshaZhenshengAluminiumCompany,Changsha410000,china; 3.WuhanResearchInstituteofMaterialsProtection,Wuhan430030,China) Abstract:ThetechnologicalprocessofdiesteelH13wasinguiredbylowtemperaturesalt-bathvanadium-nitrocarburizing, andmicrostructures,hardness,elementdistributionandphasesoftheinfiltrationofsampleswereinvestigated.Theresult showsthatthemicrohardnessisimproved,andthephasesofinfiltrationisbenefitforimprovingthethermalfatigue propertiesandwearresistance.ThelifeofdieswhichismadeofsteelH13treatedbythetechnicsisimproved obsviously. Keywords:lowtemperaturesalt-bath;vanadium-nitrocarburizing;diesteelH13 4Cr5MoSiV(H13)是国内广泛使用的铝合金 型材模具钢。某铝型材公司采用H13钢制造的挤 压模经调质处理后,采用氮碳共渗进行表面强化, 以提高其表面硬度和粘着磨损抗力[1]。然而在实 际生产中经常发现,在挤压型材壁薄、挤压力大或 挤压速度快的情况下,氮碳共渗赋予模具表面的 性能仍不够理想,容易出现热疲劳和磨损。为进 一步提高模具的使用寿命,一个重要的途径就是 将盐浴氮碳共渗与低温渗金属结合起来,利用强 碳、氮化物形成元素(V、Ti、Cr、Nb等)与碳、氮元 素一起在低温盐浴中共渗,使渗层中形成大量高 硬度合金碳、氮化物,从而提高模具的抗疲劳性能 和耐磨性[2]。结合实际生产需要,本文探讨了H13 模具钢的低温盐浴氮碳钒共渗工艺,并对渗层组 织、硬度、渗层中的元素分布以及物相组成等进行 了研究。 1试验方法 采用普通外热式坩埚盐浴炉,盐浴主要由氮 碳共渗低氰盐、V2O5与还原剂(如铝粉等)等配制 而成,将H13模具钢加工成20mm×15mm×5mm 金相试样,先在300℃对试样进行预热,然后在 550～560℃做不同时间的共渗试验。在MM-6型 金相显微镜和JSM-5610LV型扫描电子显微镜下 观察其共渗层的组织特征,用MH-5型显微硬度 计测定渗层中的硬度分布状况,用X射线衍射仪 检测渗层中的相组成,通过能谱仪分析渗层各部 分的微区成分。 2结果分析与讨论 2.1渗层组织 图 1是试样经 560℃×30min共渗处理后的 金相照片,其形态大体与氮碳共渗后的组织类似。 从图 1可看出白亮层的厚度大约在 7μm以上, 但扩散层的深度还比较薄。随着共渗时间的增加, 渗层厚度也随之增加,无剥落现象。在化合物层内 可看到一些暗黑的小块,通过6000倍扫描电镜观 收稿日期:2006-01-04 基金项目:企业委托开发项目(20049148155) 作者简介:李延辉(1981-),男,河南洛阳人,硕士研究生,主要从事材 料表面处理方面的研究; 电话:13875855793;E-mail:lyhxn@21cn.com 37 《热加工工艺》2006年第35卷第10期 HeatTreatmentHeatTreatment材料热处理(5) 察,它们是氮化物密集的部位[3]。另外,在扩散层 中还有少量的“脉状”氮化物,其含量及形状大小 与氮碳共渗处理后相比已经远远降低,这是因为 钒的渗入促进了氮、碳原子的扩散,使得其分布更 加弥散。这一点对提高模具的热疲劳以及磨损性 能十分有利。但共渗时间较长时(>4h),渗层表面 出现了疏松现象,致使化合物渗层不够致密,从而 影响了渗层的耐磨性。 2.2渗层中的元素分布 图2(a)~2(f)分别是H13钢560℃×2h盐浴氮 碳钒共渗试样不同部位的点分析谱图。其中:图 2(a)~2(e)对应渗层距表面 2μm~110μm处的微 区成分,图2(f)为所对应的心部原始成分。分析 结果表明:H13钢表层钒的含量为 0.97%,其渗入 深度达到120μm以上。由于H13钢本身含有钒, 为了更好地对比盐浴氮碳钒共渗工艺的效果,做 20μm 图1H13钢金相组织 ×500 了45钢560℃×2h盐浴氮碳钒共渗。结果发现, 表层钒的含量为 0.2%,钒的渗入深度为 80μm 以上。显然,盐浴氮碳钒共渗工艺可使钒渗入到钢 的基体中,并有望改善其表层性能。 2.3渗层硬度 图3为试样经盐浴氮碳钒共渗以及相同氮势 下的盐浴氮碳共渗处理后的硬度分布曲线。可以 看到,在同等氮势下,氮碳钒共渗处理后试样表面 的最高硬度可达1350HV以上,远高于氮碳共渗 处理后的 1100HV,而且从表层到心部的硬度分 布也较氮碳共渗的平缓。 由于钒原子直径较大,只能与铁素体形成置 换固溶体。一般情况下,钒的渗入较为困难,需要 较高的温度,而且渗速较慢。但在盐浴氮碳钒共渗 工艺中,氮、碳的渗入与钒的渗入是两个独立的过 程。由于氮势较高,氮原子首先渗入基体,与Fe形 成铁氮化合物。随后,碳原子的渗入浓度升高,同 时也有少量的钒原子渗入。氮、碳元素逐渐向心部 0 20 40 60 80 100 120 140 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 距表面距离/μm 硬 度 ( H V 0. 1) (560℃×3h)NCV共渗 (560℃×3h)NC共渗 图3H13钢经不同工艺处理的硬度分布曲线 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 C O V Cr Fe Zn Mg AlSi S V Cr V Cr Fe Fe Zn Fe C V Cr SiS V Cr Cr Fe Fe Fe Cr CN V SiMoMo V Cr V Fe Cr Fe V N CC Cr Fe Si MoMo V Cr V Cr Fe Fe Fe C V O Si MoMo V Cr V Cr Fe Fe Fe Cr V C N SiMoMo V Cr V Cr Fe Fe (a) (b) (c) (d) (e) (f) E/keV E/keV E/keV E/keV E/keV E/keV 图2H13钢560℃×2h盐浴氮碳钒共渗试样不同部位的点分析谱图 V C C PS C PS C PS C PS C PS C PS 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 38 《热加工工艺》2006年第35卷第10期 HeatTreatmentHeatTreatment材料热处理(5) 扩散,扩散瞬间,其相邻的铁原子处于不稳定状 态,这有利于钒原子和不稳定的铁原子交换位置, 因而促进了钒原子向心部进行置换扩散[4]。此外, 由于氮、碳的扩散系数较大,易加快钒原子的扩散 速度。由于氮、碳、钒三种原子的相互作用,钒原子 可以在较低温度和较短时间内渗入基体中,从而 获得理想的渗层,因而渗层硬度提高,而渗层硬度 提高则有利于模具耐磨性提高。 2.4渗层中的物相 进一步采用 X射线衍射仪分析渗层的物相 组成(如图4)。发现共渗处理前,H13钢经调质处 理的组织为回火马氏体加少量合金碳化物,主要 为M7C3。盐浴氮碳钒共渗 3h后,试样表层组织 主要为 FeN0.0939相,同时还有一些 VC合金(主要 形式为V8C7)和少量的 VN合金,而在扩散层,则 主要是FenN相以及CrN、(Cr,V)N、V1-xC等相。由 于在表面以下数十微米深度处仍有这些大量高硬 度的合金碳、氮化物,尤其是VC、VN合金相的存 在,并且从表面到心部硬度梯度变化比较平缓(如 图3所示),因而有利于提高模具表层的热疲劳性 能和耐磨性能。 3结论 (1)低温盐浴氮碳钒共渗工艺明显提高 H13 模具钢的显微硬度,并且渗层中的物相有利于提 高模具表层的热疲劳性能和耐磨性。 (2)低温盐浴氮碳钒共渗工艺是一项值得研 究和推广的新型化学热处理工艺,我们采用该工 艺处理H13热作模具,其使用寿命得到明显改善。 参考文献: [1]曾仪,曾耀棕.低温无毒盐浴氮碳共渗工艺[J].热加工工艺, 2004,(2):45-46. [2]潘邻.化学热处理应用技术[M].北京:机械工业出版社,2004. 127. [3]胡传炘.表面处理技术手册[M].北京:北京工业大学出版社, 1997.498. [4]倪宏昕,单丽云,王超,等.预先氮碳共渗对渗铬和渗钒的影响 [J].金属热处理,1996,(6):13-15. 500 400 300 200 100 0 10 20 30 40 5060 70 80 90 FeN0.0939 V8C7 2θ/(°) 图4H13钢氮碳钒共渗560℃×3h的X衍射图谱 C PS (上接第36页)5-α铝基体。180℃×10h处理试样 的Al2CuMg4Si相呈短条状,分布在晶界上;CuAl2 相呈圆颗粒状分布于晶界中[1]。这些相起到增强作 用,使得经180℃×10h时效处理的新型合金的性能 得到较大的提高。 图5为210℃×10h时效处理的微观组织。通 过对图 5(b)的几点成分进行分析可以认为分别 是:1-Mg3Al2Zn3、2-CuAl2、3-Al2CuMg4Si化合物、4- α铝基体。经 210℃×10h处理试样的 Mg3Al2Zn3 相呈颗粒状分布在晶界上,但是量很少;CuAl2相 呈短条状分布于晶界中。这两种增强相的量比较 少,这主要是由于时效温度的升高导致它们进一 步扩散,降低了增强效果。因此,时效处理的温度 不宜过高。 3结论 对该新型铝合金的时效工艺进行了优化研 究,利用扫描电镜(SEM)观察合金时效处理后的 组织结构,揭示力学性能与时效温度和时间的关 系,提出了该铝合金的最佳时效工艺为180℃×10h。 参考文献: [1]崔忠圻.金属学与热处理[M].北京:机械工业出版社,1989. [2]谭平,杨大壮,鞠治刚,等.一种新型高强韧铸造铝硅合金 (ZL120)热处理工艺的研究[J].材料科学与工艺,1999,(7): 241-244. (a) ×200 ×15001 2 3 4 图5210℃×10时效处理试样组织 (b) 39