H13滲氮后的性能研究

田澤明 伍倪燕

摘要：以熱作模具鋼H13為例對其實施離子滲氮工藝進而研究其性能變化。對采用不同滲氮溫度和不同滲氮保溫時間進行離子滲氮處理后的H13模具鋼樣品進行了實驗，當(dāng)滲氮溫度為500 ℃、保溫時間為8 h時性能最佳，其表面硬度為1 250HV，滲氮層厚度為241 μm。

關(guān)鍵詞：滲氮工藝;磨損;滲氮層;模具鋼;硬度

0? ? 引言

2017年，中國模具工業(yè)協(xié)會秘書長秦珂在當(dāng)年4月10日舉行的“模具與現(xiàn)代制造業(yè)報告會”上表示，我國模具企業(yè)裝備精良，模具制造生態(tài)圈健康，對于下游產(chǎn)品制造業(yè)的效益放大器的作用顯著。助推中國裝備制造業(yè)發(fā)展，市場導(dǎo)引下的能力提升體現(xiàn)在集成產(chǎn)業(yè)鏈上的核心零件制造企業(yè)，為汽車、電子等行業(yè)提供支撐的模具行業(yè)，它們是制造業(yè)不可或缺的重要組成部分。我國模具工業(yè)發(fā)展迅速，但與工業(yè)發(fā)達國家相比仍存在較大差距，模具壽命普遍較短。熱處理對模具的性能有著重要影響，通過熱處理可以使模具鋼具有必要的強韌性，大大延長模具的壽命。因此，對模具鋼熱處理后的性能進行研究極其必要。

1? ? 滲氮實驗

H13熱作模具鋼在諸多熱作模具鋼中應(yīng)用范圍最廣，所含合金元素主要為V、Cr、Mo。實驗前，先切取H13鋼樣品在1 075 ℃進行油淬，接著對其進行2 h的550 ℃回火處理，得到平均硬度為47HRC的樣品。在滲氮處理前，需將樣品進行去油和再拋光處理，隨后利用丙酮清洗溶液在超聲波儀器中對試樣進行清洗。借助LDMC-75F型離子氮化爐實施離子滲氮工藝。離子滲氮過程中，先將滲氮爐抽真空至50 Pa左右，隨后向爐內(nèi)通入H2清洗10 min左右，再通N2進行離子滲氮處理。離子滲氮工藝中，主要考察不同溫度和時間條件對H13模具鋼性能的影響。離子滲氮的溫度在460～540 ℃，間隔20 ℃一個點;滲氮時間分別為4～14 h，間隔2 h一個實驗點。離子滲氮實驗后，采用HV-500型智能數(shù)顯硬度計測試模具鋼樣品的硬度值，當(dāng)滲氮溫度為500 ℃，保溫時間為8 h時，測得其表面硬度為1 250HV（相當(dāng)于88.9HRA）。采用HT-1000型摩擦磨損試驗機對模具鋼樣品進行耐磨性實驗，采用日本產(chǎn)D/Max-RB型轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀對模具樣品相組成進行分析，采用日本產(chǎn)JSM-5610LV型掃描電鏡對滲氮處理后樣品的顯微結(jié)構(gòu)進行觀察。

2? ? 滲氮后的性能變化

2.1? ? 滲氮溫度對耐磨性能的影響

經(jīng)滲氮處理保溫8 h后樣品摩擦磨損實驗結(jié)果如圖1所示，從圖中發(fā)現(xiàn)，隨磨損時間的延長，不同滲氮溫度處理后的模具鋼樣品的磨損質(zhì)量均呈線性遞增趨勢，在前面4 h磨損過程中，磨損量增加較緩慢，而在磨損4 h后，樣品的磨損量增速逐漸加快。同時還可發(fā)現(xiàn)，在較低溫度如460 ℃和480 ℃下進行滲氮處理的模具鋼樣品其磨損量明顯要大于在較高溫度（500 ℃、520 ℃和540 ℃）下進行滲氮處理后的模具鋼樣品。當(dāng)磨損時間為14 h時，在460 ℃、480 ℃、500 ℃、520 ℃及540 ℃進行滲氮處理后的模具鋼樣品磨損量分別為345 mg、315 mg、206 mg、231 mg以及245 mg。分析可知，模具鋼樣品的磨損與表面硬度值相關(guān)，表面硬度值越高，耐磨性越好，因而在較高溫度進行滲氮處理后的模具鋼樣品耐磨性能相對更好。另外，在摩擦磨損的初級階段，主要磨損物質(zhì)為滲氮層，而滲氮溫度較高的樣品其滲氮層較厚，因而磨損量較小。在磨損的后期，樣品的表面滲氮層均被磨損，此時均為基體磨損，因而各樣品磨損速度基本一致。

2.2? ? 滲氮溫度對滲氮層厚度的影響

滲氮溫度對滲氮層厚度的影響規(guī)律曲線如圖2所示，隨著滲氮溫度的升高，滲氮層厚度呈階梯狀上升趨勢。480～500 ℃時，滲氮層厚度上升最快，480 ℃時，滲氮層厚度為175 μm，500 ℃時，滲氮層厚度為241 μm;在500～520 ℃變化時，滲氮層基本呈平臺狀;溫度繼續(xù)升高至540 ℃時，滲氮層厚度為265 μm。分析原因，如前所述，溫度升高氮原子擴散速度會加快，從而使得滲氮層厚度加大。

2.3? ? H13模具鋼樣品滲氮層顯微結(jié)構(gòu)分析

綜合分析，當(dāng)H13模具鋼樣品在500 ℃滲氮處理8 h后樣品性能最佳。隨后對最佳樣品的滲氮層中化合物進行了相組成分析，如圖3所示，結(jié)果顯示滲氮層中化合物主要為Fe2N、Fe4N及Fe3O4，利用XRD通過衍射強度積分計算得出，F(xiàn)e2N相占比42.5%，F(xiàn)e4N相占比55.3%，F(xiàn)e3O4相占比2.2%。同時，采用掃描電鏡對最佳樣品滲氮層形貌進行了觀察，從形貌中可以清晰看到化合物層。因而，綜合分析可見，H13模具鋼樣品在500 ℃滲氮處理8 h后，具有厚度合適的化合物層和滲氮層，這對模具鋼的耐磨性能及熱疲勞性能提高具有顯著作用。

3? ? 結(jié)語

本文對模具鋼樣品進行了摩擦磨損實驗，結(jié)果顯示，模具鋼樣品的磨損質(zhì)量呈線性遞增趨勢，滲氮溫度為500 ℃、保溫時間為8 h的模具鋼樣品磨損14 h后磨損質(zhì)量為206 mg。相組成顯示滲氮層中化合物主要為Fe2N、Fe4N以及Fe3O4，厚度合適的化合物層和滲氮層對模具鋼的耐磨性能及熱疲勞性能提高具有顯著作用。

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收稿日期：2019-12-25

作者簡介：田澤明（1969—），男，四川宜賓人，講師，主要從事機械制造方面的教學(xué)和應(yīng)用研究工作。