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摘 要:热处理就是提高金属材料的机械性能、消除残余应力和改善金属切削加工性,在提高模具使用寿命上起着关键作用.本文以H13(4Cr5MoSiV1)压铸模具钢为例,将对H13进行表面热处理,分析其力学性能及金相组织,从而分析该工艺的可行性,达到延长模具寿命和优化热处理工艺的目的.
关键词:热处理 模具钢H13 使用寿命
中图分类号:TD3 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)09(c)-0116-02
H13钢具有高的韧性、冷热疲劳抗力,可大幅度地提高热作模具的使用寿命,同时也可以用于要求高强度、高硬度的其它轴类及构件,所以深受广大用户的欢迎.国内H13钢的现有工艺基本上有球化退火,淬火以及高温回火,有需要时,还需进行去应力退火.这些热处理工艺能使H13钢具有良好的综合机械性能,能够满足模具的使用要求.但是,由于为了节省成本,提高经济效益,国内大部分厂家都不进行模具的表面处理,没有最大程度的提高模具的使用寿命.
如今,H13钢的常规热处理工艺在国内的使用情况来说,已经很成熟了,但是,若要继续提高H13钢的使用寿命,可以从表面处理方面来考虑,可用氮化或软氮化来提高模具表面的硬度和耐磨性.
1. 压铸模具钢H13的原材料分析
(1)H13钢的化学成分及临界点(如表1,表2）
众所周之,钢材在出厂前,都会进行退火处理,以消除钢材内应力,同时改善钢材的切削加工性能.由GB/T1299-2000的球状珠光体评级标准可知,2～4级为合格组织,*、5级和6级为不合格组织.H13钢的原材料的金相组织如图1所示.
由图1可以看出,原材料的金相组织为球状珠光体+少量点状珠光体.硬度HRC为3.1～3.3,球化效果较好.由于钢材退火后,成批堆在一起冷却,冷却速度非常缓慢,以至球状珠光体聚集长大,得到较好的球化效果.按照GB/T1299-2000的球状珠光体标准评级,图1中的组织可评为3级,金相组织合格.
2. 压铸模具钢H13的工艺试验
(1)H13钢表面氮化的工艺图(图2)及金相组织图(图3).
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(2)H13钢的渗氮处理.
本次试验对H13钢表面渗氮处理,分三段渗氮,第一阶段温度为540℃,第二阶段和第三阶段的温度为560℃,每个阶段各保温12h,一共保温36h,同时,第一阶段的氨分解率为20%～30%,第二阶段的氨分解率为40%～50%,第三阶段的氨分解率为85%～90%.工艺过程如图2,金相组织如图3.
由硬度计检测可知,经渗氮处理的H13钢的表面硬度为950～1100/HV1,渗层深度为0.31～0.33mm,按照GB/T11354-2005中渗氮层中氮化物检验规定,在显微镜下放大500倍进行检验,取其组织最差的部位,图3中的组织可评为*,属于合格.
有文献曾对H13钢渗氮40h(500℃、550℃两阶段渗氮)的化合物层做过仔细的电镜管观察,外层是块状和针状ε+γ′两相区(平行于表面制样).原调质组织中的合金碳化物呈球形或椭球形,它的界面上析出较多的氮化物,有些碳化物界面模糊,已被微细的氮化物所“吞食”.其动力学过程可描述为通过氮在碳化物中的溶解,氮原子逐步置换碳原子而形成合金氮化物,此外还有密集的尺寸在1～20nm之间的CrN、Mo2N和VN分布在ε相和γ′相基体上.
3. H13钢的表面软氮化处理
3.1 H13钢表面软氮化的金相组织图(图4)和工艺图(图5)
3.2 H13钢的软氮化处理
本次实验对H13钢表面进行软氮化处理,在600℃下保温5h,氨气的流量为 0.2m3/h,煤油为25滴/min.金相组织如图4所示.
由硬度计检测可知,经软氮化处理的H13钢的表面硬度为680～720HV0.1,渗层深度为0.05～0.06mm,ε相为0.005mm,按照GB/T11354-2005中渗层疏松检验规定,在显微镜下放大500倍检验,取其疏松最严重的部位,图4中的组织可评为*,属于合格.按照GB11354-89《钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验标准》规定,图4中的组织可评为*,属于合格.
经氮碳共渗后的化合物层,分为明显的两层:表面白亮层为ε相,其中合金氮化物和合金碳化物较弥散,因其耐蚀性高,故呈白色,它没有微孔,并沿晶界楔入基体中.内层为扩散层,未见有脉状组织出现.
3.3 氮碳共渗与渗氮结果的比较
一般来说,在化合物层脆性不大时,渗氮可使工件表面耐磨性提高一倍以上.氮碳共渗工件的耐磨性随着渗层含碳量的增加而提高,但渗层脆性也随之上升.
各种渗氮和氮碳共渗工艺都能提高工件的弯曲疲劳性能,增量都在40%以上.渗氮对工件疲劳性能的提高优于氮碳共渗,但氮碳共渗工件的抗咬合性能较好,而缺口敏感性低于渗氮工件.随着氮碳共渗层含碳量的增加,疲劳强度的增量逐步下降,疲劳源(鱼眼)一般位于扩散层与基体交界处.
为了提高压铸模表面抗液体金属的热浸蚀性能,多采用氮碳共渗表面强化工艺,但是最好要控制氮碳共渗层的深度,只在金属冲刷最激烈处允许有较深的渗层,其余部位可进行薄层氮碳共渗,或在薄层氮碳共渗的基础上再进行500～550℃的氧化处理,在氮碳共渗层外面再形成一层氧化膜,实践指出,这样处理后的压铸模具使用寿命可提高4～5倍.
氮碳共渗由于使表面多了一层白亮层,以至于有很高的耐蚀性和耐磨性,高于渗氮处理,但是白亮层比较薄,因此在使用过程中,易受冲击而脱落.气体氮化处理不应该出现白亮层,否则会由于脆性大而使模具表面硬度降低.
综上所述,无论是渗氮还是软氮化,都能够很大程度上提高H13钢的耐蚀性,耐磨性,抗热疲劳强度,抗咬合性,提高H13钢的使用寿命.
4. 结语
H13钢经热处理后,具有良好的综合机械性能,可以满足对模具的基本要求.本文以提高热作模具钢H13(4Cr5MoSiV1)的使用寿命为应用背景,采用气氛渗氮及软氮化方法在热作模具钢H13表面生成氮化层,通过与未经氮化处理的H13钢的性能相比,经氮化后的H13钢的耐蚀性和耐磨性以及抗咬合性等性能都提高了,很大程度上提高了H13钢的使用寿命,使H13钢更能满足大众的要求.
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