滲碳、碳氮共滲是目前機械制造工業中較廣泛應用的一種化學熱處理方法，具有表面硬度高，耐磨性、韌性好，從表面到基體硬度過度平緩等優點，能在沖擊載荷和疲勞工況下服役，在齒輪、軸承、鋼領圈等領域應用廣泛，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，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。但常規滲碳、碳氮共滲技術溫度控制在820～930℃，碳勢CP=0.8%～1.3%，較高、在熱作模具鋼上難以應用，易產生不良組織，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，該標識模屬于熱擠壓模具，在重載荷（2000kN）及高溫摩擦磨損工況下服役，標識模棱角很容易塌陷和破碎，選用性能優良的熱作模具鋼，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%，且嚴重影響鍛件生產效率，鍛件生產制造成本較高。
隨著滲碳、碳氮共滲技術的發展，出現了滲碳-碳氮共滲復合熱處理技術，其工藝具有處理溫度低、滲速快等優點，同時能有效抑制單一滲碳和單一碳氮共滲中易產生的組織缺陷，滲層濃度梯度和硬度梯度平緩，滲層與基體結合強度較高、表面殘余應力高，綜合力學性能好。
對于含碳量較低、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-碳氮共滲復合熱處理。前期進行高溫高碳勢滲碳，使滲層表面獲得足夠的碳濃度，后期碳氮共滲擴散，這樣既可增厚滲層，平緩碳濃度梯度，同時抑制了塊狀和網狀碳化物的出現。由于碳氮共滲在擴散時期進行，大大提高了共滲速度，共滲采用較低的碳勢和氨氣通入量，可有效抑制黑色組織形成。復合熱處理使表層、次表層都具有很高的硬度，提高了該區域的強度、硬度和殘余壓應力，將抑制疲勞裂紋的萌生和擴展，從而提高了疲勞強度。復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。
通過對滲碳-碳氮共滲復合熱處理技術的研究，目前未發現該技術在熱作模具鋼表面改性熱處理生產應用的相關報道，若選用合適的熱鍛標識模具材料，并設計合理的滲碳-碳氮共滲復合熱處理工藝用于熱鍛模具表面改性處理，可顯著提高熱鍛標識模壽命，降低鍛件制造成本。
鑒于此，本文介紹了一種熱鍛標識模具鋼的滲碳-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識模鑲塊經調質預備熱處理后進行滲碳-碳氮共滲復合熱處理。其制備方法包括以下步驟：標識模鑲塊的選材及加工、調質預備熱處理、滲碳-碳氮共滲復合熱處理、熱鍛工藝試驗。本發明不僅提高該模具表面硬度至60～65HRC，心部50～55HRC，滲層厚度達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，進一步提高擺碾標識模具壽命2～5倍，降低模具成本80%以上。
2.工藝試驗
試驗1：熱作模具鋼UNIMAX加工成標識模成品→調質預備熱處理→滲碳-碳氮共滲復合熱處理→熱鍛工藝試驗及批量驗證。
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185HBW），其具備如下特性：各個方向都具有優良的韌性與塑性，優良的拋光性，良好的耐磨性，熱處理和使用中良好的尺寸穩定性，優良的淬透性，良好的高溫強度，良好的抗熱疲勞性，良好的抗回火軟化性，適用于長壽命、高硬度和高韌性的熱作模具。
（1）標識模鑲塊的選材及加工
將φ80mm規格Unimax材質棒料（wC=0.5%，wSi=0.2%，wMn=0.5%，wCr=5.0%，wMo=2.3%，wV=0.5%，軟退火態185HBW）加工至成品標識模鑲塊，如圖1所示。
圖1 UNIMAX材質熱鍛模滲碳-碳氮共滲復合熱處理標識模
（2）調質預備熱處理
淬火：預熱溫度600～650℃和850～900℃，奧氏體化溫度 ：1020℃，保溫時間30min，在真空爐中N2淬火冷卻，在800～500℃溫度范圍內，冷卻速度1.1℃/s；回火：525℃×2h兩次，硬度56～58HRC；力學性能：屈服強度Rp0.2=1720～1780MPa，抗拉強度Rm=2050～2510MPa，伸長率A5=8%～9%，面積收縮比Z=28%～40%；高溫硬度隨時間的變化：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℃，氣氛碳勢恢復至CP1.02%，保溫30min后，打開爐門裝入經過調質預備熱處理的標識模，爐內溫度降低≥650℃。關閉爐門升溫至800℃時，通入甲醇開始排氣，甲醇滴量MAX3000mL/h。升溫至920℃時進行均溫20min，CP1.02%，調整甲醇MAX滴量，并滴入滲碳劑丙烷MAX5L/min，氣氛碳勢CP1.02%。進行強滲3h，調整丙烷滴量MAX4L/min，氣氛碳勢CP0.9%，進行擴散2h。降溫至870℃，調整丙烷滴量MAX3L/min，壓力0.2MPa，氨氣MAX2L/min，壓力0.1MPa氣氛碳勢CP0.8%，擴散2h。降溫至820℃，調整丙烷滴量MAX3000mL/min，氣氛碳勢CP0.75%，保溫40min，直接淬火15min，淬火冷卻介質KR468分級淬火油，油溫控制在80～120℃，瀝油15min，出爐清洗、回火（160～180）℃×（4～6）h，即得到經滲碳-碳氮共滲復合熱處理的熱鍛標識模具鑲塊，并取樣一件進行理化檢測。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 熱鍛標識模具鋼滲碳-碳氮共滲復合熱處理工藝曲線
圖3 UNIMAX材質熱鍛標識模滲碳-碳氮共滲層深
圖4 UNIMAX材質熱鍛標識模滲碳-碳氮共滲層硬度梯度
圖5 UNIMAX材質熱鍛標識模滲碳-碳氮共滲層組織
（4）熱鍛工藝試驗及批量驗證
將經滲碳-碳氮共滲復合熱處理的UNIMAX材質模具鑲塊安裝在DWY99-200A擺動碾壓機上，下料φ65mm規格42CrMoH材質棒料局部加熱至1050℃在SM1250水平開模鍛機上進行鐓粗。然后在DWY99-200A擺動碾壓機上進行盤式半軸的擺盤與標識鍛造成形，并對熱磨損失效件模具鑲塊進行金相組織分析。表面出現熱疲勞龜裂現象（見圖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。與調質態H13材質模具鑲塊比較，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，目前已運行1.5年，為公司節約模具消耗成本35萬元左右。
圖6 UNIMAX材質熱鍛標識模滲碳-碳氮共滲層表面金相組織
試驗2：熱作模具鋼DIEVAR加工成標識模成品→調質預備熱處理→滲碳-碳氮共滲復合熱處理→熱鍛工藝試驗。
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：在各個方向上都有優異的韌性和延展性，好的抗回火性能，良好的高溫強度，優異的淬透性，熱處理、表面涂覆后良好的尺寸穩定性。適用于高要求的壓鑄、熱鍛和熱擠壓模具。
同試驗1制作步驟并進行了熱鍛工藝試驗，DIEVAR材質熱鍛標識模具鑲塊，與調質態該材質模具鑲塊比較，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3：熱作模具鋼H13加工成標識模成品→調質預備熱處理→滲碳-碳氮共滲復合熱處理→熱鍛工藝試驗。
熱作模具鋼H13為鉻鉬釩合金工具鋼，目前廣泛應用的熱擠壓模，韌性和延展性很高，成分牌號符合4Cr5MoSiV1。
同試驗1制作步驟并進行了熱鍛工藝試驗，H13材質熱鍛標識模具鑲塊（滲層硬度梯度見圖7），與調質態該材質模具鑲塊比較，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材質熱鍛標識模滲碳-碳氮共滲層硬度梯度
3.結語
（1）將該滲碳-碳氮共滲改性熱處理工藝應用于UNIMAX材質熱鍛標識模具鑲塊，與調質態H13材質模具鑲塊比較，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，目前已運行1.5年，為公司節約模具消耗成本35萬元左右。
（2）將該滲碳-碳氮共滲改性熱處理工藝應用于DIEVAR材質熱鍛標識模具鑲塊，與調質態該材質模具鑲塊比較，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用于H13材質熱鍛標識模具鑲塊，與調質態該材質模具鑲塊比較，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用于5CrNiMo材質熱鍛模，與調質態該材質模具比較，在同樣工況下模具壽命提高4～5倍。
熱鍛標識模具鋼的滲碳-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識模鑲塊經調質預備熱處理后進行滲碳-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，進一步提高擺碾標識模具使用壽命2～5倍，降低模具成本80%以上。
該方法通過選用合適的熱鍛標識模具材料，設計滲碳-碳氮共滲改性熱處理工藝用于熱鍛模具表面改性熱處理，可顯著提高熱鍛標識模具使用壽命，降低鍛件制造成本。
作者：嚴超峰、謝余、李棟，陜西東銘車輛系統股份有限公司
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
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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