熱鍛標識模具鋼的滲碳碳氮共滲復合熱處理方法

　　【技術領域】

　　[0001]本發明涉及金屬材料表面化學強化熱處理領域，具體涉及一種熱鍛標識模具鋼的滲碳碳氮共滲復合熱處理方法。

　　【背景技術】

　　[0002]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。

　　[0003]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、20CrMnT1、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°C),表面硬度大于58HRC，而心部韌性高、滲層厚度可控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820-930°C，氣氛碳濃度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。

　　[0004]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，選用性能優越的熱作模具鋼，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。

　　[0005]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。

　　[0006]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。

　　[0007]通過對滲碳碳氮共滲復合熱處理技術的研究，目前未發現該技術領域在熱作模具鋼表面改性熱處理的相關報道，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。

　　【發明內容】

　　[0008]有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種熱鍛標識模具鋼的滲碳碳氮共滲復合熱處理方法。

　　[0009]為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的:

　　本發明實施例提供一種熱鍛標識模具鋼的滲碳碳氮共滲復合熱處理方法，該方法通過以下步驟實現:

　　(1)標識模鑲塊的選材及加工:將Φ80mm規格Unimax材質棒料加工至成品標識模鑲塊；

　　(2)調質預備熱處理:將成品標識模鑲塊進行淬火加熱至奧氏體化溫度，保溫時間30min，在真空爐中隊淬火冷卻，在800-500°C溫度范圍內，冷卻速度1.1°C /每秒；對經過淬火的成品標識模鑲塊進行回火；所述淬火的預熱溫度600-650°C和850-900°C，奧氏體化溫度為1000-1025°C，所述回火進行兩次，每次的回火溫度525°C，時間為2h ;

　　(3)滲碳碳氮共滲復合熱處理:將滲碳氮化爐升溫至920°C，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成品標識模鑲塊，爐內溫度降低彡650°C，關閉爐門進行升溫至800°C時，通入甲醇開始排氣，甲醇滴量MAX3000ml/h，升溫至920°C時進行均溫20min，CP1.02%，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°C，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°C，調整丙烷滴量MAX3L/min，氣氛碳勢CP0.75%，保溫40min，直接淬火15min，淬火介質KR468分級淬火油，油溫控制80-120°C，瀝油15min，出爐清洗、在160_180°C下回火4-6h，即得到經滲碳碳氮共滲復合熱處理的熱鍛標識模具鑲塊。

　　[0010]上述方案中，所述步驟(2)的調質預備熱處理，具體是將加工的標識模鑲塊成品裝入真空淬火爐中進行加熱、保溫、淬火、回火操作，兩次回火，是一次回火結束后，成品標識模鑲塊空冷至室溫后重新入爐加熱保溫回火處理空冷至室溫，即得到調質預備熱處理的成品標識模鑲塊，為后續滲碳碳氮共滲做好組織準備。

　　[0011]上述方案中，所述步驟(3)中，在甲醇中添加BH催滲劑。

　　[0012]與現有技術相比，本發明的有益效果:

　　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,還能大大提尚該t旲具承受重載荷(2000KN)和沖擊載荷尚溫摩丨祭磨損能力，進一步提尚擺礙標識模具壽命2-5倍，降低模具成本80%以上；應用于Η13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，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，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，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。

　　【附圖說明】

　　[0013]圖1為本發明實施例提供一種熱鍛標識模具鋼的滲碳碳氮共滲復合熱處理方法的工藝曲線； 圖2為通過本發明制得的熱鍛標識模具鋼的滲層硬度梯度；

　　圖3為通過本發明制得的熱鍛標識模具鋼的滲層深度；

　　圖4為通過本發明制得的熱鍛標識模具鋼的滲層組織。

　　【具體實施方式】

　　[0014]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

　　[0015]本發明實施例提供一種熱鍛標識模具鋼的滲碳碳氮共滲復合熱處理方法，該方法通過以下步驟實現:

　　(1)標識模鑲塊的選材及加工:將Φ 80mm規格Unimax材質棒料加工至成品標識模鑲塊；

　　具體的，所述Unimax材質為鉻鉬釩合金工具鋼，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。

　　[0016](2)調質預備熱處理:將成品標識模鑲塊進行淬火加熱至奧氏體化溫度，保溫時間30min，在真空爐中隊淬火冷卻，在800-500°C溫度范圍內，冷卻速度1.1°C /每秒；對經過淬火的成品標識模鑲塊進行回火；所述淬火的預熱溫度600-650°C和850-900°C，奧氏體化溫度為1000-1025°C，所述回火進行兩次，每次的回火溫度525°C，時間為2h ;

　　所述質預備熱處理后的標識模鑲塊的硬度為56-58HRC;機械性能:屈服強度Rp0.2=1720-1780MPa,抗拉強度 Rm=2050-2510MPa，延伸率 A5=9_8%，面積收縮比 Z=40_28% ；高溫硬度隨時間的變化:550°C /56HRC降至54HRC需要15h，600°C /55HRC降至45HRC需要15h, 650 °C /45HRC 降至 32HRC 需要 15h ；

　　具體的，將加工的成品標識模鑲塊裝入真空淬火爐中進行加熱、保溫、淬火、回火操作，兩次回火，是一次回火結束后，成品標識模鑲塊空冷至室溫后重新入爐加熱保溫回火處理空冷至室溫，即得到調質預備熱處理的成品標識模鑲塊，為后續滲碳碳氮共滲做好組織準備。

　　[0017](3)滲碳碳氮共滲復合熱處理:工藝曲線如圖1所示，將滲碳氮化爐升溫至920°C，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成品標識模鑲塊，爐內溫度降低多650°C，關閉爐門進行升溫至800°C時，通入甲醇開始排氣，甲醇滴量MAX3000ml/h，升溫至920°C時進行均溫20min，氣氛碳勢CP1.02%，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°C，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°C，調整丙烷滴量MAX3L/min，氣氛碳勢CP0.75%，保溫40min，直接淬火15min，淬火介質KR468分級淬火油，油溫控制80_120°C，瀝油15min，出爐清洗、在160-180°C下回火4_6h，即得到經滲碳碳氮共滲復合熱處理的熱鍛標識模具鑲塊。

　　[0018]具體的，將滲碳與碳氮共滲熱處理工藝進行分段組合，實現高溫920°C快速滲碳，低溫870°C碳氮共滲的復合熱處理方法，能夠提高熱鍛標識模鑲塊的承受重載荷(2000KN)和沖擊載荷高溫摩擦磨損的能力。

　　[0019]所述滲碳氮化爐為UBE-1000滴注式氣體滲碳氮化爐，是由中日合資江蘇鹽城豐東熱處理有限公司制造，其自動化生產線包含了 UN ICA S E氣體滲碳氮化爐、回火爐、清洗機、推拉車、控制柜、操作臺等設備，該氮化爐額定裝載量為1000kg，加熱功率142KW，可實現自動化滲碳氮化、淬火、清洗、回火操作。

　　[0020]所述KR468分級淬火油，為南京科潤工業介質股份有限公司制造，最大冷速90°C /S,運動粘度(40°C ) 60-85mm2/S，使用溫度80-120°C，淬火控溫90°C，可實現馬氏體等溫分級淬火。

　　[0021]在甲醇中添加BH催滲劑，能夠提高滲速，改善滲層表面碳化物形態及分布，進可一步提高標識模鑲塊的抗熱疲勞性能。

　　[0022]對所述步驟(3)制得的熱鍛標識模具鑲塊進行理化檢測，滲層硬度梯度如圖2所示，滲層深度如圖3所示，滲層組織如圖4所示，滲層濃度梯度和硬度梯度平緩，滲層碳化物呈顆粒彌散分布狀態，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。

　　[0023]所述步驟(3)之后，該方法還包括:熱鍛工藝試驗:將熱鍛標識模具鑲塊安裝在DWY99-200A擺動碾壓機上，下料Φ 65規格42CrMoH材質棒料局部加熱至1050°C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型。

　　[0024]以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。

　　【主權項】

　　1.一種熱鍛標識模具鋼的滲碳碳氮共滲復合熱處理方法，其特征在于:該方法通過以下步驟實現: 標識模鑲塊的選材及加工:將Φ 80mm規格Unimax材質棒料加工至成品標識模鑲塊； 調質預備熱處理:將成品標識模鑲塊進行淬火加熱至奧氏體化溫度，保溫時間30min，在真空爐中隊淬火冷卻，在800-500°C溫度范圍內，冷卻速度1.1°C /每秒；對經過淬火的成品標識模鑲塊進行回火；所述淬火的預熱溫度600-650°C和850-900°C，奧氏體化溫度為1000-1025°C，所述回火進行兩次，每次的回火溫度525°C，時間為2h ； 滲碳碳氮共滲復合熱處理:將滲碳氮化爐升溫至920°C，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成品標識模鑲塊，爐內溫度降低彡650°C，關閉爐門進行升溫至800°C時，通入甲醇開始排氣，甲醇滴量MAX3000ml/h，升溫至920°C時進行均溫20min，CP1.02%，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°C，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°C，調整丙烷滴量MAX3L/min，氣氛碳勢CP0.75%，保溫40min，直接淬火15min，淬火介質KR468分級淬火油，油溫控制80-120°C，瀝油15min，出爐清洗、在160_180°C下回火4-6h，即得到經滲碳碳氮共滲復合熱處理的熱鍛標識模具鑲塊。2.根據權利要求1所述的熱鍛標識模具鋼的滲碳碳氮共滲復合熱處理方法，其特征在于:所述步驟(2)的調質預備熱處理，具體是將加工的標識模鑲塊成品裝入真空淬火爐中進行加熱、保溫、淬火、回火操作，兩次回火，是一次回火結束后，成品標識模鑲塊空冷至室溫后重新入爐加熱保溫回火處理空冷至室溫，即得到調質預備熱處理的成品標識模鑲塊，為后續滲碳碳氮共滲做好組織準備。3.根據權利要求1所述的熱鍛標識模具鋼的滲碳碳氮共滲復合熱處理方法，其特征在于:所述步驟(3)中，在甲醇中添加BH催滲劑。

　　【專利摘要】本發明公開了一種熱鍛標識模具鋼的滲碳碳氮共滲復合熱處理方法，該方法通過以下步驟實現：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。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,還能大大提高該模具承受重載荷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。

　　【IPC分類】C23C8/02, C23C8/34, C21D1/18

　　【公開號】CN105349940

　　【申請號】CN201510847751

　　【發明人】嚴超峰, 張海偉, 付海山, 李棟, 白培靜, 謝余

　　【申請人】陜西東銘車輛系統股份有限公司

　　【公開日】2016年2月24日

　　【申請日】2015年11月27日