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    模具钢的渗碳-碳氮共渗改性热处理

    2018-09-15   来源:   点击数:13次 选择视力保护色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)   合适字体大小:
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       中国钢管信息港特别报道:我们日常的生产和生活离不开钢铁材料,但是世界上每年因锈蚀而损失的钢铁数量十分巨大。因此,如何保护钢铁防止其锈蚀意义重大。
      
      钢铁锈蚀原理是什么?我们可以根据小实验进行探究:在第1支试管中加入少量氯化钙(氯化钙可吸收空气中的水蒸气,起干燥作用),放入一根铁钉,塞紧试管口。在第2支试管中放入一根铁钉,加入经煮沸并迅速冷却的蒸馏水浸没铁钉,再注入植物油,使水面上形成油层。在第3支试管中放入一根铁钉,加入少量蒸馏水使铁钉的一部分浸在水中。 连续一周定时对三支试管进行观察并记录现象。我们从实验结果可以发现第1支、第2支试管中的铁钉没有生锈,但第3支试管中的铁钉却生锈了,铁钉表面出现了红棕色的铁锈。由此可见铁生锈需要水、氧气的参与。
      
      钢铁制品的腐蚀过程,是一个复杂的化学反应过程。铁锈通常为红棕色,不同情况下会生成不同形式的铁锈,铁锈主要由氧化铁的水合物(Fe2O3·nH2O)和氢氧化铁[Fe(OH)3]组成。钢铁表面的铁锈结构疏松,不能阻碍内部的铁与氧气、水蒸气等接触,最终导致铁全部生锈。
      
      中国钢管信息港特别报道:目前的渗碳、碳氮共渗技术,多用于碳含量较低的渗碳钢(例如:16MnCr5、20MnCr5、19CrNi3、20、20Cr、20CrMo、22CrMoH、20CrMnTi、8620H、17CrNiMo6、20Cr2Ni4等),碳含量和合金含量较低,渗碳或碳氮共渗后表面碳浓度升高,经淬火+低温回火后(120~200℃),表面硬度大于58HRC,而心部韧性高、渗层厚度可控制在0.5~2.0mm,疲劳寿命高,可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、在热作模具钢上难以应用,易产生不良组织,降低模具寿命。
      
      热作模具钢包括热锻模、热挤压模和热铸模三种,该标识模属于热挤压模具,在重载荷(2000kN)及高温摩擦磨损工况下服役,标识模棱角很容易塌陷和破碎,选用性能优良的热作模具钢,模具寿命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%,且严重影响锻件生产效率,锻件生产制造成本较高。
      
      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,其工艺具有处理温度低、渗速快等优点,同时能有效抑制单一渗碳和单一碳氮共渗中易产生的组织缺陷,渗层浓度梯度和硬度梯度平缓,渗层与基体结合强度较高、表面残余应力高,综合力学性能好。
      
      对于含碳量较低、合金元素较少且要求渗层大于1.0mm的低碳合金钢零件可采用渗碳-碳氮共渗复合热处理。前期进行高温高碳势渗碳,使渗层表面获得足够的碳浓度,后期碳氮共渗扩散,这样既可增厚渗层,平缓碳浓度梯度,同时抑制了块状和网状碳化物的出现。由于碳氮共渗在扩散时期进行,大大提高了共渗速度,共渗采用较低的碳势和氨气通入量,可有效抑制黑色组织形成。复合热处理使表层、次表层都具有很高的硬度,提高了该区域的强度、硬度和残余压应力,将抑制疲劳裂纹的萌生和扩展,从而提高了疲劳强度。复合处理的共析层一般在0.20~0.35mm,平缓的碳浓度和硬度梯度减缓了小能量多冲击裂纹和弯曲疲劳裂纹的生成。
      
      通过对渗碳-碳氮共渗复合热处理技术的研究,目前未发现该技术在热作模具钢表面改性热处理生产应用的相关报道,若选用合适的热锻标识模具材料,并设计合理的渗碳-碳氮共渗复合热处理工艺用于热锻模具表面改性处理,可显着提高热锻标识模寿命,降低锻件制造成本。
      
      鉴于此,本文介绍了一种热锻标识模具钢的渗碳-碳氮共渗改性热处理方法。该方法采用Unimax铬钼钒合金工具钢加工制成标识模镶块经调质预备热处理后进行渗碳-碳氮共渗复合热处理。其制备方法包括以下步骤:标识模镶块的选材及加工、调质预备热处理、渗碳-碳氮共渗复合热处理、热锻工艺试验。本发明不仅提高该模具表面硬度至60~65HRC,心部50~55HRC,渗层厚度达0.6~0.8mm,还可大大提高该模具承受重载荷(2000kN)和冲击载荷高温摩擦磨损能力,进一步提高摆碾标识模具寿命2~5倍,降低模具成本80%以上。
      
      2.工艺试验
      
      中国钢管信息港特别报道:试验1:热作模具钢UNIMAX加工成标识模成品→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为铬钼钒合金工具钢(wC=0.5%,wSi=0.2%,wMn=0.5%,wCr=5.0%,wMo=2.3%,wV=0.5%,软退火态185HBW),其具备如下特性:各个方向都具有优良的韧性与塑性,优良的抛光性,良好的耐磨性,热处理和使用中良好的尺寸稳定性,优良的淬透性,良好的高温强度,良好的抗热疲劳性,良好的抗回火软化性,适用于长寿命、高硬度和高韧性的热作模具。
      
      (1)标识模镶块的选材及加工
      
      将φ80mm规格Unimax材质棒料(wC=0.5%,wSi=0.2%,wMn=0.5%,wCr=5.0%,wMo=2.3%,wV=0.5%,软退火态185HBW)加工至成品标识模镶块,如图1所示。
      
      UNIMAX材质热锻模渗碳-碳氮共渗复合热处理标识模
      
      (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,在真空炉中N2淬火冷却,在800~500℃温度范围内,冷却速度1.1℃/s;回火:525℃×2h两次,硬度56~58HRC;力学性能:屈服强度Rp0.2=1720~1780MPa,抗拉强度Rm=2050~2510MPa,伸长率A5=8%~9%,面积收缩比Z=28%~40%;高温硬度随时间的变化:550℃/56HRC降至54HRC×15h,600℃/55HRC降至45HRC×15h,650℃/45HRC降至32HRC×15h。
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