淺析模具表面滲碳化學(xué)熱處理技術(shù)與應(yīng)用

沈安邦

（安慶安星電氣有限公司,安徽 安慶 246000）

引言：在熱處理工藝中，表面熱處理可分為表面淬火和表面化學(xué)熱處理兩大類，而表面化學(xué)熱處理技術(shù)種類很多，一般都以滲入的元素來命名，常用的化學(xué)熱處理方法有滲碳、滲氮、碳氮共滲、氮碳共滲、滲硼、滲金屬等。采用滲碳化學(xué)熱處理技術(shù)可以有效提高了熱擠壓模具的質(zhì)量和綜合性能，并能大幅提高了模具的使用壽命。

一、模具表面滲碳的化學(xué)熱處理技術(shù)

模具表面化學(xué)熱處理是指將鋼件置于特定的活性介質(zhì)中加熱和保溫，使一種或幾種元素滲入模具工件表面，以改變表層的化學(xué)成分、組織，使表層具有與心部不同的力學(xué)性能或特殊的物理、化學(xué)性能的熱處理工藝。

滲碳是把鋼件置于含有活性碳的介質(zhì)中，加熱到850～9500C，保溫一定時(shí)間，使碳原子滲入鋼件表面的化學(xué)熱處理工藝。工件經(jīng)滲碳后其表面硬度和耐磨性顯著提高，并可進(jìn)一步增強(qiáng)滲碳工件的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度。按滲碳介質(zhì)的物理狀態(tài)不同，可將滲碳方法分為固體滲碳、氣體滲碳、真空滲碳和離子（CD）滲碳等。

（一）固體滲碳

固體滲碳是將工件置于填滿木炭和碳酸鋇的密封箱內(nèi)進(jìn)行，滲碳劑是木炭和碳酸鋇的混合物，其中木炭起滲碳作用，碳酸鋇起催滲作用。在高溫下的木炭與空隙中的氧氣反應(yīng)形成了CO2，CO2與C 反應(yīng)形成不穩(wěn)定的CO，CO 在工件表面分解得到活性碳原子，即可滲入工件表面形成滲碳層。

（二）氣體滲碳

氣體滲碳采用液體或氣體碳?xì)浠衔镒鳛闈B碳劑。國內(nèi)應(yīng)用最廣的氣體滲碳方法是滴注式氣體滲碳，其方法是將工件置于密封的加熱爐中，滴入煤油、丙酮、甲苯及甲醇等有機(jī)液體，這些滲碳劑在爐中形成含有H2、CH4、CO 和少量CO2 的滲碳?xì)夥眨逛摷诟邷叵屡c氣體介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。但工件經(jīng)滲碳后必須進(jìn)行淬火才能獲得高硬度、高耐磨性。滲碳主要用于承受大沖擊、高強(qiáng)度、使用硬度為58～62HRC 的小型模具。

（三）真空滲碳

真空滲碳是一個(gè)不平衡的增碳擴(kuò)散型滲碳工藝，被處理的工件在真空中加熱到奧氏體化，并在滲碳?xì)夥罩袧B碳，然后擴(kuò)散、淬火。由于滲碳前是在真空狀態(tài)下加熱，鋼的表面很干凈，非常有利于碳原子的吸附和擴(kuò)散。與氣體滲碳相比，真空滲碳的溫度高，滲碳時(shí)間可明顯縮短。

（四）CD 滲碳

CD 滲碳是20 世紀(jì)80 年代后期出現(xiàn)的滲碳方法。CD 滲碳法采用含有大量強(qiáng)碳化物形成元素（如Cr、Ti、Mo、V）的模具鋼在滲碳?xì)夥罩屑訜幔谔荚幼员砻嫦騼?nèi)部擴(kuò)散的同時(shí)，滲層中沉淀出大量彌散合金碳化物，彌散碳化物含量達(dá)50%以上，呈細(xì)小均勻分布，淬火、回火后可獲得很高的硬度和耐磨性。

二、模具表面滲碳化學(xué)熱處理技術(shù)的應(yīng)用

滲碳工藝通常應(yīng)用于部分熱作模具及冷作模具，以提高模具表面的硬度和使用壽命。例如，3Cr2W8V 鋼熱擠壓模具，先滲碳再分別經(jīng)過1140～11500C 淬火及5500C 回火后，表面硬度可達(dá)58～61HRC，使熱擠壓有色金屬及其合金的模具壽命提高1.8～3.0 倍。

（一）模具表面未經(jīng)滲碳處理前性能狀況

用3Cr2W8V 熱擠模具采用熱擠壓工藝生產(chǎn)軸承套圈毛坯。軸承套圈的材料是GCr15 鋼，擠壓時(shí)的工作溫度＞9500C。模具凹、凸模的表面溫度為600～7000C，模具在高溫和高應(yīng)力共同作用下壽命較短。未采取表面處理措施以前的熱處理工藝為11000C 淬火，然后5800C 回火，模具凹、凸模的表面硬度僅為44～48HRC，模具壽命僅為1000～2000 件。究其失效形式的原因主要有以下幾種：

1.熱磨損造成擠壓凸模和凹模表面拉毛，進(jìn)而造成溝槽，致使模具因工作零件磨損而失效。

2.由于交變熱應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的作用，使凸模沿根部斷裂。

3.由于熱應(yīng)力和凸、凹模表面各種交變應(yīng)力的作用，使凸模表面和凹模型腔產(chǎn)生龜裂。

（二）通過試驗(yàn)探尋模具表面滲碳處理的最佳工藝方案

采用固體滲碳，滲碳箱為300mm×300mm×170mm，用不銹鋼制成。滲碳劑為市售顆粒固體滲碳劑。加熱設(shè)備為RJJ-25-13 高溫箱式爐。滲碳后淬火介質(zhì)為L-AN32 全損耗系統(tǒng)用油（原20 號(hào)機(jī)油）。金相試樣棒為?15mm×20mm，滲碳層深度試樣棒為?30mm×100mm。

將擠壓凸模、凹模埋入滲碳箱，密封后裝入爐中，升溫至8500C，保溫1～2h，再升溫至滲碳溫度。達(dá)到1140—11500C 滲碳溫度后，保溫2～3h，隨爐降溫到10000C，停留一段時(shí)間后迅速出爐開箱淬火。

軸承是定型、大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，故有條件通過試驗(yàn)獲得最適宜的滲碳溫度。分別采用滲碳溫度10000C、10500C、11000C、11500C 進(jìn)行滲碳處理試驗(yàn)，探尋合理的工藝參數(shù)。將試件經(jīng)不同溫度滲碳并直接淬火、回火處理。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)500～5500C 的回火溫度成為模具的二次硬化峰區(qū)，回火溫度超過6500C，模具硬度開始明顯下降。鑒于二次硬化時(shí)對(duì)模具韌性的影響，最終選用600～6200C 為熱擠壓模具的回火溫度。

又將加工6209 軸承所用的凸模進(jìn)行滲碳處理試驗(yàn)，將其經(jīng)不同溫度滲碳處理并直接淬火，經(jīng)6000C 兩次回火。試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表明：選用11000C 作為模具的高溫滲碳溫度具有良好的滲碳層組織和表面狀況，其表面強(qiáng)度、滲碳深度、金相組織均獲提升或改善，并還發(fā)現(xiàn)其表層含碳量分布極為平緩，無明顯轉(zhuǎn)折區(qū)；試件基體碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.41%，即可看出有較深的滲碳層。

顯然，上述試驗(yàn)為我們進(jìn)行模具表面滲碳熱處理提供了理想的工藝方案。

結(jié)語：模具的水平、質(zhì)量和壽命則與模具表面強(qiáng)化的滲碳化學(xué)熱處理技術(shù)休戚相關(guān)。試驗(yàn)表明：采用滲碳化學(xué)熱處理技術(shù)將有效提高模具的質(zhì)量和綜合使用性能，進(jìn)而大幅提高了模具的使用壽命。因此要提高我國模具生產(chǎn)整體水平,表面處理技術(shù)將起著舉足輕重的作用。