Cr12MoV冷作模具鋼滲硼工藝的研究進(jìn)展

李 鑫，趙作福，薄海洋，單東棟，郭林龍，霍寶陽(yáng)

?

Cr12MoV冷作模具鋼滲硼工藝的研究進(jìn)展

李 鑫，趙作福，薄海洋，單東棟，郭林龍，霍寶陽(yáng)

（遼寧工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

Cr12MoV是高碳高鉻類萊氏體鋼，由于其硬度較高、穩(wěn)定性和抗彎強(qiáng)度良好，在冷作模具鋼中被人們廣泛使用，適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砉に嚳梢赃M(jìn)一步提高其使用性能，延長(zhǎng)其使用壽命。概述了Cr12MoV鋼滲硼工藝的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)，希望對(duì)材料領(lǐng)域?qū)W者們的研究有一定的借鑒意義。

Cr12MoV鋼；使用性能；滲硼

Cr12MoV鋼是一種應(yīng)用廣泛的冷作模具鋼，具有良好的耐磨性和淬透性，經(jīng)淬火處理后其表面硬度為50～60 HRC，廣泛應(yīng)用于制造大截面、形狀復(fù)雜的各種冷沖模具和工件。但Cr12MoV鋼在工作過程中易出現(xiàn)磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損等破壞形式[1-2]，而發(fā)生失效，影響其使用壽命。因此，利用表面化學(xué)熱處理處理技術(shù)來提高Cr12MoV鋼硬度和耐磨性能是可行的[3-4]。

為了提高Cr12MoV鋼表面硬度和使用壽命，人們通常采用滲硼處理工藝改善其耐磨性能，經(jīng)滲硼處理后其表面硬度可達(dá)到800～1 200 HV，具有良好的熱硬性、耐磨損和抗腐蝕等性能[5]。常用滲硼工藝包括固體滲硼、鹽浴滲硼、電解法滲硼等。

1 滲硼工藝

1.1 固體滲硼

固體滲硼尤其是固體粉末滲硼工藝具有操作過程簡(jiǎn)單，滲硼后工件不需清洗，滲劑重復(fù)使用性好，成本低廉，并且滲硼層厚度與組織可得到有效控制，因此，固體滲硼被人們廣泛使用。但粉末固體滲硼層脆性大、容易剝落，嚴(yán)重影響了工件的耐磨性，縮短了工件的使用壽命[6-9]。國(guó)內(nèi)專家學(xué)者在改善工件滲硼層脆性方面做了大量的研究。1984年，舒士明[10]等對(duì)Cr12MoV冷作模具鋼進(jìn)行粉末固體滲硼處理，試驗(yàn)參數(shù)為570 ℃×3 h，940±10 ℃滲硼6 h爐冷至室溫。滲硼處理后的試樣硬度達(dá)到1 097 HV，滲層深度達(dá)到0.053 mm，與未經(jīng)滲硼處理的模具相比，其使用壽命提高了3~4倍。2001年，葉宏等[11]采用了固體粉末滲硼法對(duì)Cr12MoV鋼滲硼的淬火復(fù)合工藝進(jìn)行研究，得出Cr12MoV鋼固體粉末滲硼工藝以930 ℃×5 h為佳。2003年，湯光平等[12]對(duì)Cr12MoV鋼進(jìn)行表面滲硼改性處理，得出Cr12MoV鋼滲硼處理后滲硼層的脆性屬剝落脆性，但并未深入探究如何降低工件在滲硼過程中產(chǎn)生的脆性。2005年，張菁等[13]結(jié)合以上兩種研究，采用不同滲劑對(duì) Cr12MoV鋼進(jìn)行表面改性處理，分析了滲層表面脆性與敏感脆性。結(jié)果表明，粉末滲硼試樣的耐磨性優(yōu)于膏劑滲硼試樣，當(dāng)滲硼層表層脆性敏感性增加，耐磨性呈下降趨勢(shì)。經(jīng)930℃×5 h滲硼處理后，滲硼層的顯微硬度達(dá)到1 300 HV，滲硼層厚度達(dá)到70 μm，耐磨性能良好。2006年，郝少祥等[14]采用正交試驗(yàn)方法，對(duì)Cr12MoV鋼滲硼工藝進(jìn)行優(yōu)化，確定了最佳滲硼工藝參數(shù)為950 ℃×5 h，稀土的最佳加入量為0.3 wt%。優(yōu)化工藝試樣的滲硼層較厚且致密，疏松和空洞較少，硬度壓痕完整，滲層脆性較低，滲層前沿較齊整。再經(jīng)970 ℃淬火+200 ℃回火處理,試樣滲層的耐磨性得到大幅度提高。2008年，郝少祥等[15]又研究了Cr12MoV鋼滲硼層中各種元素含量的變化。結(jié)果表明，Cr12MoV鋼滲硼層中存在B、C、Al、Cr、Si、Fe、Mo、V、Mn等元素，其中B及C、Al、Cr含量分別在表層和過渡區(qū)出現(xiàn)峰值，Al和Si主要存在于缺陷處和富碳區(qū)中，F(xiàn)e在硼化物層含量略低于過渡層和心部，Mo幾乎無變化，且滲硼層中沒有稀土元素滲入。由此可以看出，稀土可以提高滲層的韌性并降低脆性。2011年，陳樹旺[16]等采用900～930 ℃淬火的工藝對(duì)固體滲硼技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行研究，使用自制滲硼劑可使?jié)B速達(dá)到0.018 mm/h，而且環(huán)境友好，成本低廉。2014年，朱春暉等[17]采用自制稀土粉末滲硼劑在900 ℃下對(duì)淬火態(tài)Cr12MoV鋼進(jìn)行9 h稀土硼共滲處理，試樣表面硬度達(dá)到1243.1 HV0.1。用此試樣與Al2O3陶瓷球?qū)δ?，結(jié)果表明，磨損量?jī)H為滲硼前的36.2%，耐磨性得到大幅度提高。

1.2 鹽浴滲硼

與固體滲硼工藝相比，鹽浴滲硼工藝可通過調(diào)整滲劑配比來控制滲層的組織結(jié)構(gòu)、深度和硬度，且滲硼速度快，因此在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛[18]。1981年，E. Filep等[19]提出鹽浴滲硼后最佳的二次熱處理工藝為200 ℃回火，且在一定溫度和時(shí)間范圍內(nèi)，滲硼層深度隨時(shí)間的增長(zhǎng)呈直線性變化。1989年，韓文祥[20]等提出了感應(yīng)加熱鹽浴法滲硼工藝，滲硼速度是普通鹽浴法滲硼速度的3倍。1984年，日本人涉谷佳男等[21]采用40%K2B4O7·5H2O+20%H3BO3+15%NaF+15%K2CO3+10%Mg的鹽浴成分，溫度800~950 ℃、保溫時(shí)間為1~5 h的熱處理工藝，獲得了16 μm的滲硼層，但滲硼后試樣內(nèi)孔粗糙度和橢圓度都有所增大。為了解決這一問題，2014年，謝春洋等[22]采用鹽浴-激光淬火工藝對(duì)Cr12MoV進(jìn)行滲硼處理，滲硼層深度約為55 μm。激光淬火后Cr12MoV鋼滲硼層表面孔洞明顯減少，組織得到細(xì)化，韌性和強(qiáng)度有所提高。次年，謝春洋等[23]對(duì)Cr12MoV鋼滲硼后的組織與性能分析進(jìn)行了深入研究。結(jié)果表明，滲硼處理后試樣表面殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，可降低滲硼層裂紋擴(kuò)展傾向。同年，王文昌等[24]采用鹽浴溫度1 000 ℃，保溫6 h后+油淬+180 ℃回火2 h的滲硼工藝，所得試樣滲硼層以FeB物相為主，產(chǎn)生了Fe2B、Fe-Cr和Cr2B等物相，降低了滲硼層脆性。激光淬火后滲硼層平均摩擦系數(shù)和磨痕深度分別下降了20%和24.6%，磨損形式由剝落磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp，大大提高了試樣的耐磨性能。

1.3 電解滲硼

電解法滲硼工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、滲硼速度快、滲層厚度和滲層的相組成可控性高，自1934年問世以來發(fā)展迅速，多用于模具和耐磨耐蝕工件[25]。1997年，郭忠誠(chéng)等[26]研究了低溫電解滲硼的工藝及性能，采用85~90% B2O3+5~10%冰晶石+3~5% KBF4為電解滲硼的鹽浴，不銹鋼或鈦板為陽(yáng)極材料，試樣為陰極材料，經(jīng)1 100 ℃×12~30 min加熱+淬火+600~620 ℃×2 h回火后空冷處理。結(jié)果表明，滲硼層的厚度隨電解時(shí)間的延長(zhǎng)而緩慢增大。經(jīng)X射線衍射分析得到，在低溫條件下，滲硼層的組織主要由FeB和Fe2B組成。2014年，吳曄康等[27]通過正交試驗(yàn)的方法考察了電流密度、占空比、滲硼溫度、時(shí)間及硼砂等因素對(duì)滲硼層厚度的影響。結(jié)果表明，最優(yōu)工藝參數(shù)為滲硼溫度850 ℃、占空比20%、滲硼時(shí)間90 min、熔鹽摩爾配比NaCl∶KCl∶NaF∶Na2B4O7=1∶1∶3∶0.04，試樣滲硼層深度達(dá)到87.4 μm，滲層組織細(xì)致緊密。

1.4 復(fù)合滲硼

與傳統(tǒng)的單一滲硼工藝相比，復(fù)合滲硼工藝可以顯著提高滲硼層的顯微硬度、脆性和耐磨性能。1987年，李啟中等[28]提出了鹽浴硼釩共滲工藝，試驗(yàn)滲劑主要為硼砂、五氧化二釩和鋁粉等，試驗(yàn)溫度為900~950 ℃。結(jié)果表明，試樣共滲層厚度可達(dá)到120 μm，表面硬度在HF0.11590~2 027之間。溫度達(dá)到900～950 ℃時(shí)，鹽浴硼釩共滲能獲得由VC相和Fe2B相組成的雙相共滲層，滲層厚度增加的同時(shí)又抑制了脆性FeB相的生長(zhǎng)。隨著VC相數(shù)量增加，滲層表面硬度和致密性都得到提高。

為了進(jìn)一步提高滲硼處理后試樣表面的耐磨性，1992年，趙慶等[29]使用粉末滲劑對(duì)模具鋼進(jìn)行硼釩共滲處理。滲劑主要成分為硼鐵合金、釩鐵合金、氟硼酸鉀、碳化硅及氯化銨，加工工藝為溫度900~1 000 ℃，保溫時(shí)間5~6 h、空冷，隨后進(jìn)行淬火及低溫回火處理，對(duì)共滲處理后的試樣進(jìn)行了表面性能分析。結(jié)果表明，經(jīng)硼釩共滲處理后試樣的耐磨性比傳統(tǒng)滲硼試樣提高1.6倍，疲勞壽命明顯增加；硼釩共滲層組織致密、齒形突出、與基體結(jié)合良好。在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，由Fe2B和VC組成的共滲層深度達(dá)到80~165 μm、硬度為1 360~1 818 HV。2004年，張建彬等[30]采用 5%氧化鑭稀土和3%鉻粉作為催滲劑，在900 ℃×5 h條件下進(jìn)行硼鉻共滲試驗(yàn)。結(jié)果表明，經(jīng)稀土催滲試樣滲硼層中硼化物的形核率以及硼原子擴(kuò)散速度都得到明顯提高，同時(shí)固溶在共滲層中的稀土和鉻延緩了裂紋的萌生和擴(kuò)展[31]，試樣的顯微組織和顯微硬度都得到改善，尤其耐磨性得到顯著提高。

1.5 蔓延高溫滲硼

自蔓延高溫滲硼共晶化處理是以強(qiáng)放熱的化學(xué)反應(yīng)體系作為熱源，利用化學(xué)反應(yīng)所釋放出的高能化學(xué)熱對(duì)工件進(jìn)行快速加熱，通過滲硼介質(zhì)與工件表面的相互作用，直接在工件表面形成具有共晶組織的滲硼層。2000年，葉榮昌等[32-33]對(duì)自蔓延高溫滲硼共晶化進(jìn)行了研究。使用以B4C為主要原料的糊膏劑涂于工件表面，將工件放入鋁熱反應(yīng)堆中進(jìn)行滲硼處理。結(jié)果表明，自蔓延高溫滲硼共晶化處理可在極短的時(shí)間內(nèi)（十幾秒到幾十秒）在工件表面形成一層厚度均勻的共晶組織滲硼層，且滲層厚度可以控制，最厚可達(dá)150 μm左右。同時(shí)，該工藝采用反應(yīng)式加熱，無需專門的加熱設(shè)備，不受工件大小形狀的限制，尤其適用于大型工件的局部處理，且工藝操作簡(jiǎn)單，應(yīng)用前景十分可觀。

2 展望

隨著模具工業(yè)的逐步發(fā)展，人們對(duì)冷作模具鋼開始有了更高的性能需求，熱處理工藝仍然需要不斷優(yōu)化，才能更有效地提高工業(yè)產(chǎn)品的各項(xiàng)性能，延長(zhǎng)使用壽命，從而滿足國(guó)內(nèi)各行業(yè)發(fā)展所需。滲硼處理工藝在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛，科研工作者們?nèi)圆粩鄬?duì)其進(jìn)行研究和改進(jìn)。在傳統(tǒng)滲硼工藝的基礎(chǔ)上，人們開始了對(duì)電解滲硼處理技術(shù)的進(jìn)一步探索；多元復(fù)合共滲處理工藝逐漸成熟的同時(shí)，目前興起的蔓延高溫滲硼也得到的學(xué)者們的廣泛關(guān)注?？傊?，作為一種適應(yīng)性強(qiáng)且應(yīng)用廣泛的熱處理工藝，滲硼處理工藝必將得到更進(jìn)一步的發(fā)展來適應(yīng)人們更多的需求。

[1] 曹光明. 提高Cr12MoV鋼模具壽命的熱處理工藝[J]. 熱加工工藝, 2004(10):46-48.

[2] 佘丁順, 岳文，付志強(qiáng)，等. 超聲冷鍛對(duì)Cr12MoV 鋼滲氮組織與性能的影響[J]. 熱處理學(xué)報(bào), 2013, 34(7): 129-135.

[3] 吳曉峰, 馬坤, 徐娜, 等. Cr12MoV模具鋼應(yīng)用的主要問題與熱處理研究進(jìn)展[J]. 模具工業(yè), 2009, 35(9): 55-61.

[4] 張強(qiáng), 趙作福, 齊錦剛, 等. Cr12MoV冷作模具鋼滲氮工藝的研究進(jìn)展[J]. 遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2016, 36(2): 122-126.

[5] 馬永青, 孫偉. 硅鐵稀土對(duì)Cr12MoV模具鋼組織和性能的影響[J]. 鑄造技術(shù), 2014, 35(7): 1447-1449.

[6] Shi W, Wang J L, Wang Z, et al. Surface treatment of Cr12MoV steel towards long-life cold-work dies[J]. Transactions of Materi-als and Heat Treatment, 2004, 25(5): 837-840.

[7] Kartal G., Timur S., Sista V.. The growth of Fe2B phase on low carbon steel via phase homogenization in electrochemical boriding （PHEB）[J]. Surface & Coatings Technology, 2011, 206(7): 2005-2011.

[8] Balogh J, Bujdoso L, Kemeny T. Diffusion amorphization and interface properties of Fe-B multi-layers[J]. Apply Phys, 1997, 65: 23-27.

[9] Lee Sang Yul Kin, Gwang Seek Kim, Bum-Suk. Mechanical properties og duplex layer for medon AISI403 stainness steel by chromizing and boranizing treatment[J]. Surface & Coatings Technology, 2014(1): 177-178.

[10] 舒士明, 李子豫, 徐鋼. 固體滲硼技術(shù)應(yīng)用在冷作模具上的試驗(yàn)研究[J]. 安徽工學(xué)院學(xué)報(bào), 1984(1): 66-75, 108.

[11] 葉宏, 李暉. Cr12MoV鋼滲硼-淬火復(fù)合工藝研究[J]. 四川兵工學(xué)報(bào), 2001, 22(4): 25-27.

[12] 湯光平, 黃文榮, 周文鳳. 滲硼層脆性及其控制措施[J]. 材料保護(hù), 2003, 36(3): 57-59.

[13] 張菁, 董仕節(jié), 黃倫. Cr12MoV鋼滲硼層脆性與耐磨性研究[J]. 湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào), 2005, 19(2): 16-19.

[14] 郝少祥, 孫玉福, 楊凱軍. Cr12MoV鋼滲硼工藝及滲層的組織與性能[J]. 金屬熱處理, 2006, 31(7): 67-71.

[15] 郝少祥, 王玉平. Cr12MoV鋼滲硼層中各種元素含量的變化[J]. 河南工程學(xué)院學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2008, 20(1): 44-47.

[16] 陳樹旺, 陳衛(wèi)東. 固體滲硼技術(shù)的研究與應(yīng)用[J]. 熱處理, 2011, 26(3): 1-8.

[17] 朱春暉, 王宏宇, 陳煒, 等. 低溫稀土滲硼對(duì)淬火態(tài)Cr12MoV鋼耐磨性的影響[J]. 熱加工工藝, 2014, 43(8): 223-225.

[18] 姜信昌, 王健安, 韓文祥, 等. 氣體滲硼工藝研究[J]. 金屬熱處理, 1989(3): 11-16.

[19] Filep E, 劉延風(fēng). 鹽浴滲硼研究的新成果[J]. 金屬熱處理, 1981(12): 31-32.

[20] 韓文祥, 姜信昌. 感應(yīng)加熱鹽浴滲硼[J]. 金屬熱處理, 1989(11):57-59.

[21] 涉谷佳男, 木村啓造, 徐安達(dá). 高碳鋼鹽浴滲硼[J]. 國(guó)外金屬熱處理, 1985(3): 35-42.

[22] 謝春洋, 孔德軍. 激光淬火后Cr12MoV鋼滲硼層界面形貌與能譜分析[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào), 2015, 36(4): 200-205.

[23] 謝春洋, 孔德軍. Cr12MoV鋼滲硼后的組織與性能分析[J]. 粉末冶金材料科學(xué)與工程, 2015, 20(4): 609-615.

[24] 王文昌, 謝春洋, 孔德軍. 激光淬火對(duì)Cr12MoV鋼滲硼層摩擦與磨損性能的影響[J]. 常州大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2015, 27(4): 47-52.

[25] 孫達(dá), 孟繁中. 電解滲硼的研究[J]. 金屬熱處理, 1985(4):48-52.

[26] 郭忠誠(chéng), 楊顯萬, 劉鴻康, 等. 低溫電解滲硼的工藝及性能研究[J]. 有色金屬, 1997, 49(2): 44-46.

[27] 吳曄康, 楊海麗, 徐宏, 等. 熔鹽電解法滲硼工藝的優(yōu)化[J]. 電鍍與精飾, 2014, 36(11): 24-27.

[28] 李啟中, 曾昭炯, 張小燕, 等. 鹽浴硼釩共滲的組織和性能[J]. 貴州工學(xué)院學(xué)報(bào), 1987(3): 116-119.

[29] 趙慶, 蘇美容, 齊樹敏. 硼礬共滲工藝在模具上的應(yīng)用[J]. 西南石油學(xué)院學(xué)報(bào), 1992, 14(1): 44-47.

[30] 張建彬, 李世巖. 45鋼硼-稀土-鉻共滲層組織和性能的研究[J]. 礦冶工程, 2004, 24(3): 78-80.

[31] 項(xiàng)東, 許斌. 鋼的稀土硼鉻共滲層耐磨損性能的研究[J]. 表面技術(shù), 2003, 32(4): 22-24.

[32] 葉榮昌, 葛長(zhǎng)路. 自蔓延高溫滲硼共晶化的研究[J]. 熱加工工藝, 2000(1): 21-24.

[33] 邢志松, 王寶平. 滲硼工藝試驗(yàn)及應(yīng)用[J]. 金屬熱處理, 2013, 38(8): 99-102.

責(zé)任編校：劉亞兵

Research Progress of Die Steel Boriding Process of Cr12MoV Steel

LI Xin, ZHAO Zuo-fu, Bo Hai-yang, SHAN Dong-dong, GUO Lin-long, HUO Bao-yang

（Material Science and Engineering college, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

Cr12MoV is ledeburite type steel with high-carbon and high-chromium, and it has been widely used in the cold working die steel due to its high hardness, good stability, and high flexural strength. By the appropriate surface treatment, its performance can be improved, and the service life can be prolonged. In this paper, the progress and development trends of Boriding process of Cr12MoV steel have been introduced, and expect providing special reference for the research workers.

Cr12MoV steel; performance; boriding

10.15916/j.issn1674-3261.2017.03.008

TG161

A

1674-3261(2017)03-0169-04

2016-12-06

國(guó)家自然科學(xué)基金（51354001）；遼寧省高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（LT2013014）；遼寧省教育廳重點(diǎn)試驗(yàn)室基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（LZ2014031）

李 鑫(1995-)，男，遼寧朝陽(yáng)人，本科生。趙作福(1978-)，男，遼寧錦州人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，博士