原标题：模具钢渗氮-碳氮共渗改性热处理
作者:陕西东明车辆系统有限公司严超峰、谢余、李栋
包耀宗，钢铁研究院
王欢锐，董立社，陕西汉德车桥有限公司
由来:《金属加工(热加工)杂志》
渗氮和碳氮共渗是机械制造业中广泛使用的一种化学热处理方法。具有表面硬度高、耐磨性好、韧性好、从表面到基材强度过轻等特点。可在冲击载荷和疲劳条件下使用，广泛应用于齿轮、轴承、钢领圈等行业。显著提高零件的使用寿命。
1.模具钢渗氮-碳氮共渗改性热处理环境
目前的渗氮和碳氮共渗技术主要用于碳含量低的渗碳钢(如16Mncr5)、20MnCr5、19CrNi3、20、20Cr、20CrMo、22CrMoH、20crmnti、8620H、17CrNimo6、20cr2Ni4等)，碳含量和合金成分较低，渗氮或碳氮共渗后表面碳浓度升高，淬火 低温回火后(120～200℃)，表面硬度超过58HRC，芯韧性高，渗层厚度可控制在0.5～2.0mm，疲劳寿命高，能承受轻载摩擦损伤。但基本渗氮和碳氮共渗技术的温度控制为820～930℃，碳势CP=0.8%～1.3%，高，不能用于热作模具钢，容易产生机构差，降低模具寿命。
热模具钢包括热锻模具、热挤压模具和热铸模具。该标志模具属于热挤压模具，在重负荷（2000kn）和高温摩擦损坏条件下服务。该标志模具的边角容易坍塌和粉碎。采用性能优良的热模具钢，模具寿命为2000～500件磨具成本300件～6元/件，占零件制造成本的1.3%～锻件生产率严重危害2.7%，锻件的生产加工成本较高。
随着渗氮、碳氮共渗技术的发展，渗氮-碳氮共渗复合热处理技术具有解决温度低、渗透速度快的特点，能有效抑制单氮和单碳氮共渗的机构缺点，渗层浓度梯度和强度梯度温和，渗层与基底结合强度高，表面剩余应力高，综合物理性能好。
渗氮-碳氮共渗复合热处理可用于含碳量低、合金元素少、规定渗层超过1.0mm的低碳合金钢零件。
渗氮-碳氮共渗复合热处理可用于含碳量低、合金元素少、规定渗层超过1.0mm的低碳合金钢零件。前期进行高温高碳潜渗氮，使渗层表面获得足够的碳浓度，后期碳氮共渗扩散，不仅可以增厚渗层，缓解碳浓度梯度，还可以抑制小块和网状碳化物的诞生。由于碳氮共渗在扩散阶段进行，共渗速率大大提高，共渗选用较低的碳势和氨进入量，可有效抑制黑色组织的产生。复合热处理使表面和次表面具有较高的强度，提高了该地区的强度、硬度和残余压力应力，抑制了疲劳裂纹的萌发和扩展，从而提高了疲劳极限。复合处理共析层一般为0.20～0.35mm，轻碳浓度和强度梯度缓解了小动能多冲击裂纹和弯曲疲劳裂纹的产生。
根据对渗氮-碳氮共渗复合热处理技术的研究，热模钢表面改性热处理生产中未发现该方法的相关报告。如果采用合适的热锻标志模具材料，热锻磨表面改性解决采用合理的渗氮-碳氮共渗复合热处理工艺，可以显著提高热锻标志模具的使用寿命，降低锻件的制造成本。
基于此，本文阐述了热锻标志模具钢的渗氮-碳氮共渗改性热处理工艺。该方法采用Unimax铬钼钒合金工具钢加工成标志模块，经调质预备热处理后进行渗氮碳氮共渗复合热处理。其制备方法包括以下工艺：标志模块的选材及加工、调质预备热处理、渗氮-碳氮共渗复合热处理、热锻工艺试验。本产品不仅将磨具的表面硬度提高到60～65HRC，50芯～55HRC，渗层厚度为0.6～0.8mm，还可以大大提高磨具承载重载(2000kn)和冲击载荷的高温摩擦损伤水平，进一步提高摆动标志模具的使用寿命2～5倍，模具成本降低80%以上。
2.工艺试验
实验1：热模钢UNIMAX制成标志模成品→调质预备热处理→碳氮共渗复合热处理→热锻工艺试验及批量认证。
热作模钢UNIMAX是铬钼钒合金工具钢（wC=0.5%，wSi=0.2%，wMn=0.5%，wCr=5.0%，wMo=2.3%，wV=0.5%，软淬火185HBW)，具有韧性和塑性好、抛光性好、耐磨性好、热处理和使用时尺寸稳定性好等特点。淬透性好，高温强度好，耐热疲劳性好，耐回火变软性好，适用于使用寿命长、韧性高、韧性高的热作模具。
(1)标志模块的材料选择和加工
将φUnimax材料圆棒，80mm规格（wC=0.5%，wSi=0.2%，wMn=0.5%，wCr=5.0%，wMo=2.3%，wV=0.5%，软淬火185HBW)加工成成品标志模块，如图1所示。
图1 UNIMAX热锻模渗氮-碳氮共渗复合热处理标志
(2)调质预备热处理
淬火:预热温度6000～650℃和850～奥氏体化温度为900℃ ：1020℃，保温时间30min，真空炉N2淬火冷却，8000～环境温度在500℃，冷却速度为1.1℃/1℃/s；淬火：525℃×2h2次，强度56～58HRC；物理性能：抗拉强度RP0.2=1720～1780MPa，抗压强度RM=2050～2510MPa，延伸率A5=8%～9%的面积收缩比Z=28%～40%；随着时间的推移，550℃/56HRC降至54HRC×15h，600℃/55HRC降至45HRC×650℃/45HRC降至32HRC×15h。
(3)渗氮-碳氮共渗复合热处理
如图2所示，工艺曲线将UBE-1000滴注式汽体渗氮氮化炉加热至920℃，大气碳势恢复至CP1.02%。保温30min后，打开炉膛，装入调质准备热处理的标志模，炉内温度降低≥650℃。将炉膛关闭加热至800℃时，逐渐进入甲醇排气，甲醇滴量MAX3000ml/h。将炉膛关闭加热至800℃时，逐渐进入甲醇排气，甲醇滴量MAX3000ml/h。均温20min升温至920℃时，CP1.02%，调整甲醇MAX滴量，滴入渗氮丙烷MAX5L/min，CP1.02%的大气碳势。调整丙烷滴量MAX4L/min，大气碳势CP0.9%，蔓延2h。降温至870℃，调节丙烷滴量MAX3L/min，压力0.2MPa，氨MAX2L//min，碳势CP0.8%的压力0.1MPa氛围扩散2h。调节丙烷滴量MAX3000ml/820℃min，大气碳势CP0.75%，保温40min，立即淬火15min，淬火冷却物质KR468分级淬火油，温度保持在80～120℃，沥油15min，公布清洗淬火(160～180）℃×（4～6）h，即经渗氮-碳氮共渗复合热处理的热锻标志磨具镶块，并抽样一件进行理化检测。共渗层深度如图3所示，共渗层强度梯度如图4所示，共渗层表面合金成分如图5所示。
图2 钢渗氮-碳氮共渗复合热处理模具曲线
图3 UNIMAX材料热锻标志模渗氮-碳氮共渗深度
图4 UNIMAX热锻标志模渗氮-碳氮共渗层强度梯度
图5 UNIMAX材料热锻标志模渗氮-碳氮共渗层
(4)热锻工艺试验及批量认证
DWY99-200A晃动碾压机上安装了经渗氮-碳氮共渗复合热处理的UNIMAX材料磨具镶块，开料φ在SM1250水平开模锻机中，65mm规格42crMoH材料圆棒局部加热至1050℃。之后，在DWY99-200A摇动碾压机中，对盘式半轴的装盘和标志进行煅烧，对热磨损失部件的磨具镶块进行合金成分分析。之后，在DWY99-200A摇滚机中，将盘式半轴的装盘和标志煅烧成型，并对热磨损失部件的磨具镶块进行合金成分分析。表面出现热疲劳开裂（见图6），但高温摩擦损伤水平仍然很高，表面渗碳体和碳氮化合物充满颗粒。与调质H13材料磨具镶块相比，模具寿命在相同条件下提高4～5倍，磨具成本降低3元/件，目前已运行1.5年，为公司节省了35万左右的磨具成本。
图6 UNIMAX材料热锻标志模渗氮-碳氮共渗层表面合金成分
实验2：热模钢DIEVAR制成标志成品→调质预备热处理→碳氮共渗复合热处理→热锻工艺试验。
热模钢DIEVAR是一种新型的热模钢，是一种耐热裂纹、干裂纹、热磨损和塑性变形水平较好的高性能铬钼钒合金工具钢。具有以下特点：韧性和可塑性好，抗淬火性好，高温强度好，淬火性好，热处理和表面涂层后尺寸稳定性好。适用于高要求的压铸、热锻和热挤压模具。
同样的实验1生产步骤和热锻工艺试验，DIEVAR材料热锻标志磨具镶块，与材料磨具镶块相比，模具寿命在相同条件下提高3～4倍，磨具成本降低2.2元/件。
实验3：热模钢H13制成标志模成品→调质预备热处理→碳氮共渗复合热处理→热锻工艺试验。
热作模具钢H13是铬钼钒合金工具钢，目前广泛应用于热挤压模具中，韧性和可塑性都很高，成分型号为4cr5mosiv1。
与实验1的生产步骤相同，进行了热锻工艺试验。H13材料热锻标志磨具镶块（渗层强度梯度见图7）与材料磨具镶块相比，模具寿命在相同条件下提高2～三倍，磨具成本降低2.3元/件。
图7 H13热锻标志模渗氮-碳氮共渗层强度梯度
3.结语
(1)UNIMAX材料热锻标志磨具镶块采用渗氮-碳氮共渗改性热处理方法，与调质H13材料磨具镶块相比，同等条件下磨具使用寿命提高4～5倍，磨具成本降低3元/件，目前已运行1.5年，为公司节省磨具成本约35万元。
(2)DIEVAR材料热锻标志磨具镶块采用渗氮-碳氮共渗改性热处理方法，与调质状态相比，模具寿命在同等条件下提高3～4倍，磨具成本降低2.2元/件。
(3)H13材料热锻标志磨具镶块采用渗氮-碳氮共渗改性热处理方法，与调质状态相比，模具寿命在同等条件下提高2～三倍，磨具成本降低2.3元/件。
(4)5Crnimo材料热锻模采用渗氮-碳氮共渗改性热处理方法，与调质态材料磨具相比，模具寿命在同等条件下提高4～5倍。
(4)5Crnimo材料热锻模采用渗氮-碳氮共渗改性热处理方法，与调质态材料磨具相比，模具寿命在同等条件下提高4～5倍。
热锻模具钢的渗氮-碳氮共渗改性热处理工艺。该方法采用Unimax铬钼钒合金工具钢加工成标志模块，经调质预备热处理后进行渗氮碳氮共渗改性热处理。不仅将磨具的表面硬度提高到60～65HRC，50芯～55HRC，渗层厚度为0.6～0.8mm，还可以大大提高磨具承载重载(2000kn)和冲击载荷的高温摩擦损伤水平，进一步提高摆磨标志磨具的使用寿命2～5倍，模具成本降低80%以上。
该方法采用适当的热锻标志模具材料，设计了热锻磨表面改性热处理的氮碳氮共渗改性热处理方法，可显著提高热锻标志磨的使用寿命，降低锻件的制造成本。
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