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模具钢渗碳-碳氮共渗技术温度控制在820~930℃

渗碳和碳氮共渗是目前机械制造行业广泛采用的化学热处理方法。 它们具有表面硬度高、耐磨性好、韧性好、从表面到基体硬度平缓等优点。 它们可以在冲击载荷下使用,并在疲劳条件下工作,广泛应用于齿轮、轴承、钢圈等领域,显着提高零件的使用寿命。

一、模具钢渗碳-碳氮共渗变质热处理背景

目前的渗碳、碳氮共渗技术多用于含碳量较低的渗碳钢(例如:16MnCr5、20MnCr5、19CrNi3、20、20Cr、20CrMo、22CrMoH、20CrMnTi、8620H、17CrNiMo6、20Cr2Ni4等)。 合金含量低。 渗碳或碳氮共渗后,表面碳浓度增加。 经过淬火+低温回火(120~200℃)后,表面硬度大于58HRC,而心部韧性高,渗碳层厚度可控制。 在0.5~2.0mm时,具有较高的疲劳寿命,能承受重载荷摩擦磨损。 但常规渗碳碳氮共渗技术温度控制在820~930℃,碳势CP=0.8%~1.3%,较高,难以在热作模具钢上应用。 容易产生不良结构,降低模具寿命。

热作模具钢包括热锻模、热挤压模和热铸造模三种。 该打标模具为热挤压模具,在重载荷(2000kN)和高温摩擦磨损条件下使用。 打标模具的棱角容易塌陷和破碎,采用性能优良的热作模具钢。 模具寿命为200~500枚。 模具消耗成本为3~6元/个,占零件制造成本的1.3%~2.7%。 还严重影响锻件生产效率和锻件制造成本。 更高。

随着渗碳、碳氮共渗技术的发展,出现了渗碳-碳氮共渗复合热处理技术。 该工艺具有加工温度低、渗碳速度快的优点。 同时能有效抑制单一渗碳和单一碳氮共渗。 共渗过程中易出现的结构缺陷包括渗层浓度梯度和硬度梯度平缓、渗层与基体结合强度高、表面残余应力高、综合力学性能好等。

对于含碳量较低、合金元素较少且要求渗碳层大于1.0mm的低碳合金钢零件,可采用渗碳-碳氮共渗复合热处理。 早期进行高温高碳势渗碳,使渗碳层表面获得足够的碳浓度。 后期碳氮共渗和扩散可以增厚渗碳层,平滑碳浓度梯度,同时抑制块状、网状碳化物的形成。 出现。 由于碳氮共渗是在扩散期间进行,因此共渗速度大大提高。 共渗采用较低的碳势和氨气引入量,可有效抑制黑色组织的形成。 复合热处理使表层和亚表层具有较高的硬度,提高了该区域的强度、硬度和残余压应力,抑制疲劳裂纹的萌生和扩展,从而提高疲劳强度。 复合处理的共析层一般为0.20~0.35mm。 平缓的碳浓度和硬度梯度减缓了小能量多重冲击裂纹和弯曲疲劳裂纹的产生。

通过对渗碳-碳氮共渗复合热处理技术的研究,目前尚无该技术在热作模具钢表面变质热处理中应用的相关报道。 如果选择合适的热锻打标模具材料并设计合理的渗碳碳-碳氮共渗复合热处理工艺对热锻打标模具进行表面改性,可以显着提高热锻打标模具的寿命,降低锻件制造成本。

鉴于此,本文介绍一种热锻打标模具钢渗碳-碳氮共渗改良热处理方法。 该方法采用Unimax铬钼钒合金工具钢加工打标模具镶件,进行调质预备热处理,然后进行渗碳-碳氮共渗复合热处理。 制备方法包括以下步骤:打标模具镶件的材料选择和加工、调质预备热处理、渗碳-碳氮共渗复合热处理、热锻工艺试验。 本发明不仅使模具表面硬度提高到60-65HRC,心部硬度提高到50-55HRC,渗透层厚度提高到0.6-0.8mm,而且大大提高了模具承受重载荷(2000kN)的能力和冲击载荷、高温摩擦磨损,进一步提高了摆磨机标志模具寿命提高2~5倍,降低模具成本80%以上。

2、工艺测试

试验1:热作模具钢UNIMAX加工成打标模具成品→调质预备热处理→渗碳-碳氮共渗复合热处理→热锻工艺试验及批量验证。

热作模具钢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%、软化退火185HBW) 。 具有以下特点:各方向优良的韧性和塑性、优良的抛光性、良好的耐磨性、热处理和使用过程中良好的尺寸稳定性、优良的淬透性、良好的高温强度、良好的耐热疲劳性、良好的抗回火软化性能,适用于长寿命、高硬度、高韧性的热作模具。

(1)打标模块插件的材料选择和加工

将φ80mm规格Unimax料棒(wC=0.5%、wSi=0.2%、wMn=0.5%、wCr=5.0%、wMo=2.3%、wV=0.5%、软退火185HBW)加工成成品打标模具镶件,如图如图1所示。

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图1 UNIMAX材质热锻模具渗碳-碳氮共渗复合热处理打标模具

(2)调质预备热处理

淬火:预热温度600~650℃和850~900℃,奥氏体化温度:1020℃,保温时间30min,真空炉N2淬火冷却,温度范围800~500℃,冷却速度1.1℃/s; 回火:525℃断面收缩率Z=28%~40%; 高温硬度随时间的变化:550℃/56HRC下降到54HRC×15h,600℃/55HRC下降到45HRC×15h,650℃/45HRC下降到32HRC×15h。

(3)渗碳-碳氮共渗复合热处理

工艺曲线如图2所示,UBE-1000滴注式气体渗碳氮化炉加热至920℃,气氛碳势恢复至CP1.02%。 保温30分钟后,打开炉门,进行调质预备热处理。 对于标志模具,炉内温度降低≥650℃。 当炉门关闭,温度达到800℃时,引入甲醇开始排气,甲醇滴加量MAX3000mL/h。 升温至920℃时,平均20分钟,CP1.02%,调节甲醇MAX滴量,滴加增碳剂丙烷MAX5L/min,气氛碳势CP1.02%。 强渗透3小时,调节丙烷滴量至MAX4L/min,气氛CP碳势至0.9%,扩散2小时。 降温至870℃,调节丙烷滴量至MAX3L/min,压力至0.2MPa,氨气至MAX2L/min,压力至0.1MPa,大气碳势CP至0.8%,进行扩散持续2个小时。 冷却至820℃,调节丙烷滴量至MAX3000mL/min,气氛碳势CP0.75%,保温40min,直接淬火15min,淬火冷却介质采用KR468分级淬火油,控制油温80~120℃ ℃,沥干油15分钟,出炉。 经清洗、回火(160~180)℃×(4~6)h后,得到经过渗碳-碳氮共渗复合热处理的热锻打标模具镶件,并取样进行理化检验。 共渗层深度如图3所示,共渗层硬度梯度如图4所示,共渗层表面金相组织如图5所示。

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图2 热锻打标模具钢渗碳-碳氮共渗复合热处理工艺曲线

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图3 UNIMAX材料热锻打标模具渗碳-碳氮共渗层深度

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图4 UNIMAX材料热锻打标模具渗碳-碳氮共渗层硬度梯度

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图5 UNIMAX材料热锻打标模具渗碳-碳氮共渗层结构

(4)热锻工艺试验及批量验证

将经过渗碳-碳氮共渗复合热处理的UNIMAX材料模具镶件安装在DWY99-200A摇摆式轧机上,将φ65mm规格42CrMoH料棒在SM1250卧式模锻机上局部加热至1050℃镦粗。 。 然后在DWY99-200A摇摆式滚压机上锻造成形圆盘半轴的摇摆板和标志,并对热磨损失效部位的模具镶件金相组织进行分析。 表面出现热疲劳裂纹(见图6),但高温摩擦磨损能力仍然很高,表面碳化物和碳氮化物呈粒状弥散分布。 与调质H13材料模具镶件相比,同等工况下,模具寿命提高4~5倍,模具消耗降低约3元/件。 已运行1.5年,为公司节省模具消耗成本约35万元。 。

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图6 UNIMAX材料热锻打标模具渗碳-碳氮共渗层表面金相组织

试验2:热作模具钢DIEVAR加工成打标模具成品→调质预备热处理→渗碳-碳氮共渗复合热处理→热锻工艺试验。

热作模具钢DIEVAR是一种新型热作模具钢。 是一种高性能铬钼钒合金工具钢,具有良好的抗热裂、开裂、热磨损和塑性变形能力。 具有以下特点:各方向均具有优异的韧性和延展性,良好的抗回火性,良好的高温强度,优异的淬透性,热处理和表面涂层后尺寸稳定性良好。 适用于高要求的压铸、热锻和热挤压模具。

进行与试验1相同的制造工序以及热锻造工艺试验。 将由 DIEVAR 材料制成的热锻造打标模具嵌件与回火状态下由该材料制成的模具嵌件进行比较。 同等工况条件下,模具寿命提高3~4倍,模具消耗降低。 约2.2元/个。

试验3:热作模具钢H13加工成打标模具成品→调质预备热处理→渗碳-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。 具有较高的韧性和延展性,成分牌号符合4Cr5MoSiV1。

进行与试验1相同的制造工序以及热锻造工艺试验。 H13材料热锻打标模具嵌件(渗层硬度梯度见图7)。 与回火状态下该材料制成的模具镶件相比,在相同工况条件下,模具寿命得到提高。 2~3倍,模具消耗成本降低约2.3元/件。

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图7 H13材料热锻打标模具渗碳-碳氮共渗层硬度梯度

三、结论

(1) UNIMAX材料热锻打标模具镶件采用渗碳-碳氮共渗改良热处理工艺。 与回火H13材料制成的模具镶件相比,在相同工况条件下,模具的使用寿命提高4至5倍。 次,模具消耗成本降低约3元/个。 已运行1.5年,为公司节省模具消耗成本约35万元。

(2)采用渗碳-碳氮共渗改良热处理工艺应用于DIEVAR材料制成的热锻打标模具镶件。 与回火状态下用该材料制成的模具镶件相比,在相同工况条件下,模具寿命提高3~4倍。 ,模具消耗成本降低约2.2元/件。

(3)H13材料热锻打标模具镶件采用渗碳-碳氮共渗改良热处理工艺。 与回火状态下用该材料制成的模具镶件相比,在相同工况条件下,模具寿命提高2~3倍。 ,模具消耗成本降低约2.3元/件。

(4)渗碳-碳氮共渗改良热处理工艺应用于5CrNiMo热锻模具。 与采用该材料制成的调质模具相比,在相同工况条件下,模具寿命提高4~5倍。

热锻打标模具钢渗碳-碳氮共渗改良热处理方法该方法采用Unimax铬钼钒合金工具钢制作打标模具镶件,对其进行调质预备热处理,然后进行渗碳-碳氮共渗变质热处理。 不仅使模具表面硬度提高到60-65HRC,心部硬度提高到50-55HRC,熔渗层厚度提高到0.6-0.8mm,而且大大提高了模具承受重载(2000kN)和冲击载荷、高温摩擦磨损,进一步提高了摆锤磨削性能。 打标模具使用寿命提高2~5倍,模具成本降低80%以上。

该方法通过选择合适的热锻标记模具材料并设计渗碳-碳氮共渗改性热处理工艺对热锻模具进行表面变质热处理,可以显着提高热锻标记模具的使用寿命,降低锻件制造成本。

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