CN105349940A - 热锻标识模具钢的渗碳碳氮共渗复合热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热锻标识模具钢的渗碳碳氮共渗复合热处理方法，该方法通过以下步骤实现：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。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,还能大大提高该模具承受重载荷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。

Description

热锻标识模具钢的渗碳碳氮共渗复合热处理方法
技术领域
本发明涉及金属材料表面化学强化热处理领域，具体涉及一种热锻标识模具钢的渗碳碳氮共渗复合热处理方法。
背景技术
渗碳、碳氮共渗是目前机械制造工业中较广泛应用的一种化学热处理方法，具有表面硬度高、耐磨性、韧性好、从表面到基体硬度过度平缓等优点，能在冲击载荷和疲劳工况下服役，在齿轮、轴承、钢领圈等领域应用广泛，显著提高零件的使用寿命。
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820-930℃，气氛碳浓度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，选用性能优越的热作模具钢，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，目前未发现该技术领域在热作模具钢表面改性热处理的相关报道，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，可显著提高热锻标识模寿命，降低锻件制造成本。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种热锻标识模具钢的渗碳碳氮共渗复合热处理方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供一种热锻标识模具钢的渗碳碳氮共渗复合热处理方法，该方法通过以下步骤实现：
（1）标识模镶块的选材及加工：将φ80mm规格Unimax材质棒料加工至成品标识模镶块；
（2）调质预备热处理：将成品标识模镶块进行淬火加热至奥氏体化温度，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℃/每秒；对经过淬火的成品标识模镶块进行回火；所述淬火的预热温度600-650℃和850-900℃，奥氏体化温度为1000-1025℃，所述回火进行两次，每次的回火温度525℃，时间为2h；
（3）渗碳碳氮共渗复合热处理：将渗碳氮化炉升温至920℃，气氛碳势恢复至CP1.02%，保温30min后，打开炉门装入经过调质预备热处理的成品标识模镶块，炉内温度降低≥650℃，关闭炉门进行升温至800℃时，通入甲醇开始排气，甲醇滴量MAX3000ml/h，升温至920℃时进行均温20min，CP1.02%，并滴入渗碳剂丙烷MAX5L/min，气氛碳势CP1.02%，进行强渗3h，调整丙烷滴量MAX4L/min，气氛碳势Cp0.9%，进行扩散2h，降温至870℃，调整丙烷滴量MAX3L/min，压力0.2MPa，氨气MAX2L/min，压力0.1MPa气氛碳势Cp0.8%，扩散2h，降温至820℃，调整丙烷滴量MAX3L/min，气氛碳势CP0.75%，保温40min，直接淬火15min，淬火介质KR468分级淬火油，油温控制80-120℃，沥油15min，出炉清洗、在160-180℃下回火4-6h，即得到经渗碳碳氮共渗复合热处理的热锻标识模具镶块。
上述方案中，所述步骤（2）的调质预备热处理，具体是将加工的标识模镶块成品装入真空淬火炉中进行加热、保温、淬火、回火操作，两次回火，是一次回火结束后，成品标识模镶块空冷至室温后重新入炉加热保温回火处理空冷至室温，即得到调质预备热处理的成品标识模镶块，为后续渗碳碳氮共渗做好组织准备。
上述方案中，所述步骤（3）中，在甲醇中添加BH催渗剂。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
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,还能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；应用于H13材质热锻标识模具镶块，与调质态该材质模具镶块比较，在同样工况下模具寿命提高2-3倍，模具消耗降成本2.3元/件左右，应用于DIEVAR材质热锻标识模具镶块，与调质态该材质模具镶块比较，在同样工况下模具寿命提高3-4倍，模具消耗降成本2.2元/件左右，应用于5CrNiMo材质热锻模，与调质态该材质模具比较，在同样工况下模具寿命提高4-5倍，应用于UNIMAX材质热锻标识模具镶块，与调质态H13材质模具镶块比较，在同样工况下模具寿命提高4-5倍，模具消耗降成本3元/件左右，目前已运行1.5年，为公司节约模具消耗成本35万元左右。
附图说明
图1为本发明实施例提供一种热锻标识模具钢的渗碳碳氮共渗复合热处理方法的工艺曲线；
图2为通过本发明制得的热锻标识模具钢的渗层硬度梯度；
图3为通过本发明制得的热锻标识模具钢的渗层深度；
图4为通过本发明制得的热锻标识模具钢的渗层组织。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种热锻标识模具钢的渗碳碳氮共渗复合热处理方法，该方法通过以下步骤实现：
（1）标识模镶块的选材及加工：将φ80mm规格Unimax材质棒料加工至成品标识模镶块；
具体的，所述Unimax材质为铬钼钒合金工具钢，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。
（2）调质预备热处理：将成品标识模镶块进行淬火加热至奥氏体化温度，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℃/每秒；对经过淬火的成品标识模镶块进行回火；所述淬火的预热温度600-650℃和850-900℃，奥氏体化温度为1000-1025℃，所述回火进行两次，每次的回火温度525℃，时间为2h；
所述质预备热处理后的标识模镶块的硬度为56-58HRC；机械性能：屈服强度Rp0.2=1720-1780MPa,抗拉强度Rm=2050-2510MPa，延伸率A5=9-8%，面积收缩比Z=40-28%；高温硬度随时间的变化：550℃/56HRC降至54HRC需要15h,600℃/55HRC降至45HRC需要15h,650℃/45HRC降至32HRC需要15h；
具体的，将加工的成品标识模镶块装入真空淬火炉中进行加热、保温、淬火、回火操作，两次回火，是一次回火结束后，成品标识模镶块空冷至室温后重新入炉加热保温回火处理空冷至室温，即得到调质预备热处理的成品标识模镶块，为后续渗碳碳氮共渗做好组织准备。
（3）渗碳碳氮共渗复合热处理：工艺曲线如图1所示，将渗碳氮化炉升温至920℃，气氛碳势恢复至CP1.02%，保温30min后，打开炉门装入经过调质预备热处理的成品标识模镶块，炉内温度降低≥650℃，关闭炉门进行升温至800℃时，通入甲醇开始排气，甲醇滴量MAX3000ml/h，升温至920℃时进行均温20min，气氛碳势CP1.02%，并滴入渗碳剂丙烷MAX5L/min，气氛碳势CP1.02%，进行强渗3h，调整丙烷滴量MAX4L/min，气氛碳势CP0.9%，进行扩散2h，降温至870℃，调整丙烷滴量MAX3L/min，压力0.2MPa，氨气MAX2L/min，压力0.1MPa气氛碳势Cp0.8%，扩散2h，降温至820℃，调整丙烷滴量MAX3L/min，气氛碳势CP0.75%，保温40min，直接淬火15min，淬火介质KR468分级淬火油，油温控制80-120℃，沥油15min，出炉清洗、在160-180℃下回火4-6h，即得到经渗碳碳氮共渗复合热处理的热锻标识模具镶块。
具体的，将渗碳与碳氮共渗热处理工艺进行分段组合，实现高温920℃快速渗碳，低温870℃碳氮共渗的复合热处理方法，能够提高热锻标识模镶块的承受重载荷（2000KN）和冲击载荷高温摩擦磨损的能力。
所述渗碳氮化炉为UBE-1000滴注式气体渗碳氮化炉，是由中日合资江苏盐城丰东热处理有限公司制造，其自动化生产线包含了UNICASE气体渗碳氮化炉、回火炉、清洗机、推拉车、控制柜、操作台等设备，该氮化炉额定装载量为1000kg,加热功率142KW，可实现自动化渗碳氮化、淬火、清洗、回火操作。
所述KR468分级淬火油，为南京科润工业介质股份有限公司制造，最大冷速90℃/S,运动粘度（40℃）60-85mm2/S，使用温度80-120℃，淬火控温90℃，可实现马氏体等温分级淬火。
在甲醇中添加BH催渗剂，能够提高渗速，改善渗层表面碳化物形态及分布，进可一步提高标识模镶块的抗热疲劳性能。
对所述步骤（3）制得的热锻标识模具镶块进行理化检测，渗层硬度梯度如图2所示，渗层深度如图3所示，渗层组织如图4所示，渗层浓度梯度和硬度梯度平缓，渗层碳化物呈颗粒弥散分布状态，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。
所述步骤（3）之后，该方法还包括：热锻工艺试验：将热锻标识模具镶块安装在DWY99-200A摆动碾压机上，下料φ65规格42CrMoH材质棒料局部加热至1050℃在SM1250水平开模锻机上进行镦粗，然后在DWY99-200A摆动碾压机上进行盘式半轴的摆盘与标识锻造成型。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种热锻标识模具钢的渗碳碳氮共渗复合热处理方法，其特征在于：该方法通过以下步骤实现：
标识模镶块的选材及加工：将φ80mm规格Unimax材质棒料加工至成品标识模镶块；
调质预备热处理：将成品标识模镶块进行淬火加热至奥氏体化温度，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℃/每秒；对经过淬火的成品标识模镶块进行回火；所述淬火的预热温度600-650℃和850-900℃，奥氏体化温度为1000-1025℃，所述回火进行两次，每次的回火温度525℃，时间为2h；
渗碳碳氮共渗复合热处理：将渗碳氮化炉升温至920℃，气氛碳势恢复至CP1.02%，保温30min后，打开炉门装入经过调质预备热处理的成品标识模镶块，炉内温度降低≥650℃，关闭炉门进行升温至800℃时，通入甲醇开始排气，甲醇滴量MAX3000ml/h，升温至920℃时进行均温20min，CP1.02%，并滴入渗碳剂丙烷MAX5L/min，气氛碳势CP1.02%，进行强渗3h，调整丙烷滴量MAX4L/min，气氛碳势Cp0.9%，进行扩散2h，降温至870℃，调整丙烷滴量MAX3L/min，压力0.2MPa，氨气MAX2L/min，压力0.1MPa气氛碳势Cp0.8%，扩散2h，降温至820℃，调整丙烷滴量MAX3L/min，气氛碳势CP0.75%，保温40min，直接淬火15min，淬火介质KR468分级淬火油，油温控制80-120℃，沥油15min，出炉清洗、在160-180℃下回火4-6h，即得到经渗碳碳氮共渗复合热处理的热锻标识模具镶块。
2.根据权利要求1所述的热锻标识模具钢的渗碳碳氮共渗复合热处理方法，其特征在于：所述步骤（2）的调质预备热处理，具体是将加工的标识模镶块成品装入真空淬火炉中进行加热、保温、淬火、回火操作，两次回火，是一次回火结束后，成品标识模镶块空冷至室温后重新入炉加热保温回火处理空冷至室温，即得到调质预备热处理的成品标识模镶块，为后续渗碳碳氮共渗做好组织准备。
3.根据权利要求1所述的热锻标识模具钢的渗碳碳氮共渗复合热处理方法，其特征在于：所述步骤（3）中，在甲醇中添加BH催渗剂。
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