H13鋼模具的表面熱處理

劉寶石 王義震

摘? 要：隨著國內(nèi)制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，各行各業(yè)都取得不錯的成績，而金屬領(lǐng)域的模具鋼處理技術(shù)一直備受業(yè)內(nèi)關(guān)注，其中的核心是H13鋼模具的表面熱處理，其技術(shù)手段影響著行業(yè)發(fā)展。其中H13 （4Cr5MoSiV1） 鋼成分為 0132～0145C，4175～5150Cr 等，是目前市場中熱擠壓模和壓鑄模的常用鋼模具，其工作溫度高達(dá)600℃，基于此，本文主要從H13鋼模具的鍛造預(yù)熱出發(fā)，介紹了其表面熱處理的幾種工藝過程及細(xì)節(jié)，希望能為相關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼模具;淬火;處理;表面;共滲

1.前言

目前國內(nèi)外都在廣泛使用的鋼是H13鋼（4Cr5MoSiV1） ，它是一種需要表面熱處理后定型的熱作鋼模具，經(jīng)過分析其化學(xué)成分后得出成分比例（%）為：0132～0145C，，0180～1120Si，1110 ～1175Mo等。這種鋼模具工作時的溫度最高為600℃，通常具有良好的紅硬性、抗熱性、熱強(qiáng)性，在鋁合金熱擠壓模具及壓鑄模具中運(yùn)用最多。H13經(jīng)過淬火、回火后硬度變?yōu)?2～48 HRC ，當(dāng)遇到惡劣工作環(huán)境時，榮譽(yù)發(fā)生熱磨損和熱疲勞，因此這種模具鋼繼續(xù)具有很強(qiáng)的硬度和耐腐蝕性。如果模具不耐磨就會降低其使用時間，為了延長鋼模具使用壽命，就要從其表面抗性為突破口，從節(jié)約能源資源的角度出發(fā)，通過對H13鋼模具進(jìn)行表面熱處理，從而達(dá)到改善其使用時間的目的。

2.H13鋼模具的表面低溫化學(xué)熱處理

2.1H13鋼模具的離子滲氮處理工藝

H13鋼模具中一些元素成彌散分布，比如Cr、Mo，這樣增加了鋼模具的耐磨耐腐性，并且能有效抗粘，在520℃下對H13實(shí)施高于90min的離子滲氮處理可增加其硬度。但是如若離子氮溫度大于570℃，H13中國化合物層出現(xiàn)氮化物且為蜘蛛網(wǎng)狀，那它的耐磨性就會下降，因此其表面化合物最厚可為6μm，氮層厚度為0.3㎜，這里對應(yīng)的耐磨性會有一個極大值為高溫520℃。H13表面滲氮以此不可能完成，一般3次以上，滲氮厚度一般在0.15-0.20mm之間。當(dāng)以H13制造擠壓鋁型材時，需要兩次回火且1080℃的油淬，其硬度為48HRC[1]。

2.2H13鋼模具的N-C共滲處理工藝

該工藝也叫軟化氮，H13中的ε韌性低因此會對其抗熱疲勞性能產(chǎn)生不利影響，在進(jìn)行軟氮化時由于C和ε在550℃時達(dá)到3.18%，而其表層包含了C、N的化合物耐磨性很強(qiáng)。而軟化氮在565℃以下能夠有很高的滲透熟讀，并生成ε+γ′相所需的高濃度N，這樣在其表面就有更多N滲入，專業(yè)那個在第二階段更有利于擴(kuò)散層產(chǎn)生。軟化氮時間一般不能超過4h，到大于6h時就不再產(chǎn)生滲層。經(jīng)過研究表明，可用氨氣、酒精作為滲透劑。

2.3H13鋼模具的N-C-V共滲工藝

H13鋼模具的N-C-V溫服不超過560℃為佳，主要是在混合尿素及碳酸鹽鹽浴中加入V劑、活性劑等，該步驟時間為2-4小時，通過金屬V原子深入模具表面，形成具有強(qiáng)彌散性的VC、VN硬質(zhì)，最終硬度可大于1300HV，從而增加鋼模具的耐磨、耐熱性。然后再利用其表層殘留的N、C等物質(zhì)，提高其承載力。一些鋁合金廠的平面模具就是采用N-C共滲工藝實(shí)現(xiàn)延長使用時間的目的，并且較原來提高了一倍多，有良好的經(jīng)濟(jì)效益[2]。

3.H13鋼模具的高能束流表面處理

3.1激光表面處理工藝

近年來H13剛募集的激光淬火、熔覆技術(shù)等都有很大發(fā)展，這是由于近年來大功率電器價格有所下調(diào)節(jié)導(dǎo)致。激光熔覆技術(shù)主要是需要用熔覆材料覆蓋模具表面，這種材料需要有穩(wěn)定性能，覆蓋后模具的表面性能會被改變，這種處理方式比等離子噴焊更利于局部控制及準(zhǔn)確輸入，而且符合當(dāng)今社會的節(jié)能理念，缺點(diǎn)是土層容易出現(xiàn)缺陷，熱影響小，在激光功率為P=1500W的情況下送粉量為10g/min，并且在1000℃高溫下涂層仍然有很強(qiáng)硬度，是一種很不錯的高溫模具。H13常規(guī)處理硬度通常在44HRC，之后是激光淬火，讓其表面硬度達(dá)到62HRC就可以生成極細(xì)錯位性馬氏體組織，繼而激光加熱后析出碳化物，這樣就增加了抗火性和耐磨性[3]。

3.2高能束表面合金化處理

高能束表面合金處理能源是激光束和電子束，是表面改性的新興技術(shù)，具體操作是通過在H13鋼模具通過電弧離地鍍設(shè)備上沉積鋁膜，之后是進(jìn)行15次左右的轟擊處理，主要技術(shù)是束輻找技術(shù)，當(dāng)然這種技術(shù)主要針對鋁合金壓鑄膜。之后又暑假那達(dá)到至高溫將電子束熔入基體表層，由于模具有良好的導(dǎo)熱性因而會快速冷卻。之后脈沖電子束產(chǎn)生沖擊振動，處理后的模具有10μm的氧化膜，再次加熱、冷卻后期穩(wěn)固性最佳，不會斷裂，有效改善模具的腦模型和抗氧化能力[4]。

3.3離子注入表面改性處理

該技術(shù)早期主要是N離子注入技術(shù)，目前的金屬表面離子注入技術(shù)已經(jīng)是模具改性研究的主要方向，并且被廣泛用于大量精密、關(guān)鍵的零部件改性，對于延長零部件和模具的使用時間、提高性能方面具有促進(jìn)作用。在H13改性處理中，由于在500℃退火時有70%的N原子流失，因此注入的N離子改善不明顯，但是S離子卻能夠讓本來強(qiáng)度高的鋼摩擦系數(shù)降低至少40%，從而增加耐磨性，其效果是最好的，并且Si和Si+N離子注入后模具摩擦系數(shù)增加了409%，耐磨性也成倍增加可達(dá)1.4倍。

4.結(jié)語

綜上所述，H13鋼模具的表面熱處理主要分為低溫化學(xué)熱處理及高能速流表面處理，其中表面熱化學(xué)處理主要有離子滲氮處理、N-C共滲處理、N-C-V共滲處理等，而高能速流處理則分為激光表面處理 、高能速表面金合化處理、離子注入表面改性處理，由于篇幅有限很多工藝不能全都闡述。但可看出其熱處理工藝需要掌握專業(yè)的技術(shù)理論及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)人員應(yīng)該認(rèn)真鉆研，精進(jìn)工藝操作，爭取為金屬行業(yè)的發(fā)展做出積極貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯文達(dá).激光選區(qū)熔化成形H13鋼模具的工藝研究[D].江蘇理工學(xué)院，2020.

[2]呂慶玉，鄧玉臻.熱擠壓H13鋼模具工作帶劃傷原因探討[J].鋁加工，2021，（05）：56-60.

[3]葛志宏，鄧靜.H13鋼模具電火花表面強(qiáng)化工藝參數(shù)優(yōu)化分析[J].熱加工工藝，2020，44（06）：109-111.

[4]馮建新，宛農(nóng).大截面H13鋼模具淬火開裂分析及冷卻制度的擬定[J].武漢輕工大學(xué)學(xué)報，2020，33（03）：32-34.