H13模具鋼回火工藝對滲氮層的影響

摘 要:用光學顯微鏡 、掃描電鏡及 X 射線衍射儀等研究了淬火 +不同回火工藝處理 H13 模具

鋼再經(jīng)相同氣體滲氮處理后的滲層組織, 用顯微硬度計測試了滲層橫截面的硬度, 分析了回火工藝對滲氮層的影響。

結果表明:經(jīng)淬火+兩次 350 ℃回火的試樣再滲氮后滲層較致密, 硬度變化較平緩, 但滲層厚度低于淬火 +兩次600 ℃回火后滲氮試樣的;淬火+兩次 600 ℃回火試樣滲層的化合物層下有微裂紋, 硬度變化較大;而淬火態(tài)直接滲氮試樣未能獲得具有良好綜合性能的滲層。

關鍵詞:H13 模具鋼 ;回火;滲氮層

引 言

H13鋼是一種重要的熱作模具鋼, 具有優(yōu)良的熱強性、塑韌性 、抗氧化性及熱疲勞抗力 。為了提高模具的表面硬度 、耐腐蝕 、抗粘結等性能, 通常需要對其進行表面滲氮處理, 在保持模具心部原有強度與韌性的同時再有效提高模具的表面強度。

為了獲得滲氮后模具心部與表層性能的良好配合, 滲氮前都應對模具進行適當?shù)臒崽幚? 其一般為淬火 +兩次高溫回火。但高溫回火易使熱作模具鋼發(fā)生熱磨損和坍塌失效 ;而采用 350 ℃左右的中低溫回火后, 心部具有較好的強韌配合和熱疲勞性能,同時也不會出現(xiàn)藍脆現(xiàn)象。

經(jīng) 580 ℃高溫回火與經(jīng) 350 ℃中低溫回火的同種模具使用壽命相當, 但經(jīng)高溫回火的模具在使用過程中有早期失效現(xiàn)象,而中低溫回火因存在較高含量的殘余奧氏體, 對提高其韌性有一定的作用 。

但關于中低溫回火是否適合作為滲氮前的熱處理, 一直缺乏系統(tǒng)的研究, 而這將直接影響實際生產(chǎn)成本與生產(chǎn)效率。為此, 作者對滲氮前進行淬火 、淬火+兩次中低溫回火 、淬火 +兩次高溫回火三種不同熱處理( 主要是回火工藝不同) 的 H13 鋼滲氮層的組織與硬度進行了研究, 分析了回火工藝對滲氮層的影響, 為實際生產(chǎn)工藝的制定提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

1 .1 試樣制備

試驗材料為退火態(tài)的 H13 鋼, 取自上海淵鋼公司, 其 名義化學成 分( 質量分 數(shù)/ %) 為 0 .32 ～

0.45C, 0 .8 ～ 1 .2Si, 0 .2 ～ 0 .5M n, 4 .75 ～ 5 .5Cr, 1 .1～ 1 .75M o, 0 .8 ～ 1 .2V, ≤0 .03P, ≤0 .03S 。

采用線切割加工成 10 mm ×10 mm ×40 mm 的試樣 。經(jīng)1030 ℃鹽浴保溫 10 min 、油淬冷卻后, 在箱式電爐內(nèi)分別進行 350 ℃×2 h 、600 ℃×2 h 兩次回火,采用鑄鐵屑、木炭、砂子( 質量比為 2 ∶2 ∶1) 的混合物作防脫劑, 將試樣埋于鐵盒中加熱。試樣淬火態(tài)硬度為 57 HRC, 經(jīng) 350, 600 ℃回火后硬度分別為53.9和48.0HRC 。

滲氮前試樣表面經(jīng) 1000#金相砂紙磨光 、酸洗、水洗及無水乙醇清洗、吹干。滲氮工藝采用氣體滲氮, 滲氮介質為氨氣, 流量為 500 ～ 1 000 L ·h-1, 爐內(nèi)壓力為 1 .3 ～ 1 .6 kPa, 其它工藝參數(shù)如圖 1 所示。

1 .2 試驗方法

將滲氮后試樣用線切割成 10 mm ×10 mm ×10 mm的 4 段, 分別進行不同測試。試樣經(jīng)鑲樣、拋光和飽和苦味酸酒精溶液中侵蝕后, 用蔡司光學顯微鏡和FEI QUAN TA-200 型環(huán)境掃描電鏡( SEM) 分析顯微組織和測量滲氮層的厚度;用掃描電鏡附帶的能譜儀( EDS) 分析滲氮層的成分;用 SIEM ENSD5000型X 射線衍射儀( XRD) 分析滲氮層表面的物相組成,銅靶, 掃描角度10°～ 90°, 管電壓 35 kV, 管電流30 mA, 時間 0 .2 s, 采樣間隔 0 .02 s ;用 401MVA 型顯微硬度計測試滲層截面上由外向內(nèi) 6 個不同點的顯微硬度, 載荷 0 .98 N, 保載 10s 。

2 試驗結果與討論

2 .1 顯微組織

由圖 2 可知, 各試樣的顯微組織都由心部的回火馬氏體和表層的氮化物組成。淬火 +滲氮試樣的滲氮層最薄, 僅 30 ～ 40 μm, 淬火 +350 ℃回火 +滲氮試樣的滲氮層厚為 50 ～ 60 μm, 高于前者的, 但低于淬火 +600 ℃回火 +滲氮試樣的( 70 ～ 80 μm) 。文獻[ 4] 表明, H13 鋼滲氮層形成合金氮化物的機理主要是含合金元素的碳化物與滲入的氮原子相互作用而在碳化物界面上形成的, 滲氮前回火溫度越高, H13 鋼中含合金元素的碳化物越多, 因此滲氮層越厚。

由圖 3 可知, 三種試樣滲氮層中化合物層的厚度依次約為 1, 2, 5 μm 。淬火 +滲氮試樣化合物層組織呈粗大的條狀, 較疏松 ;淬火 +兩次350 ℃回火+滲氮試樣化合物層的組織較細密 ;淬火 +兩次600 ℃回火 +滲氮試樣化合物層也較致密, 但是與擴散層交界處出現(xiàn)了裂紋, 這將導致化合物層在使用過程中容易脫落, 使模具表面粗糙度加大, 導致磨損加快, 從而造成早期失效 。滲氮前回火溫度越高, H13鋼中合金元素以碳化物形式析出越多, 鐵素體中的合金元素越少, ε相的厚度隨著鐵素體中合金元素量的增加而減少[ 6 -8] , 因此回火溫度越高,表面化合物層的厚度越大。

2 .2 硬度分布

由圖 4 可知, 三種滲氮試樣的表面硬度均比心部的有較大提高, 距離外表面約 20 μm 處的硬度分別為 840, 800, 870 HV( 換算為洛氏硬度分別為 65,64, 66 HRC) 。由表層到基體硬度逐漸減小, 淬火 +滲氮及淬火 +高溫回火 +滲氮試樣的硬度降低較快, 淬火+中溫回火 +滲氮試樣的硬度變化較為平緩, 這可保證模具鋼在后續(xù)使用過程中不會因為硬度的突變而導致過早開裂失效。

由表 1 和圖 5 可知, 兩種試樣的氮含量由表層到心部是逐漸減少的, 即離表層距離越遠, 氮含量越少。氮含量越高, 生成高硬度氮化物則越多, 這就是滲氮試樣從表層到心部硬度變化的原因 。

表 1 不同試樣不同微區(qū)的氮含量(質量分數(shù))