鋁合金H21鋼擠壓模熱處理工藝研究

譚贊良，陳向榮，何孝美

1.郴州職業技術學院 湖南郴州 423000

2.豐利熱處理有限公司 湖南郴州 423000

1 序言

鋁合金擠壓模不僅需要具有較高的硬度，還需要具有良好的耐磨性和抗咬合性能。此外，由于鋁合金在擠壓成形時模具溫度一般在450～550℃，所以模具還需要具有良好的熱硬性，因此鋁合金擠壓模的使用壽命一般較低。如鋁合金型材H21鋼擠壓模（凹模尺寸為φ110mm×45mm，凸模尺寸為φ106mm×35mm），采用常規熱處理工藝（淬火+回火），一般在擠壓型材2000～3000m后，模具表面便出現拉毛現象，需修復后才能使用，模具使用壽命短，生產效率低。因此，如何提高鋁合金擠壓模的耐磨性、抗咬合性和熱硬性是亟需解決的問題。通過反復試驗，發現采用硫-碳-氮三元共滲工藝，特別是真空硫-碳-氮三元共滲工藝，可以很好地提高鋁合金擠壓模的耐磨性、抗咬合性和熱硬性，從而大大提高模具使用壽命。

2 硫-碳-氮三元共滲工藝

鋁合金型材H21鋼擠壓模經過淬火、回火后，進行硫-碳-氮三元共滲處理[1]。三元共滲時先滲氮，在形成高硬度的滲氮層后，再進行硫-碳-氮三元共滲，共滲時混合氣體中氨氣、乙醇與CS2的體積比為75 : 2 : 1。通過硫-碳-氮三元共滲處理，可在模具表面形成高硬度的滲氮層，以及具有減磨、潤滑作用的硫化物層，從而提高鋁合金擠壓模的耐磨性、抗咬合性和熱硬性[2]。通過硫-碳-氮三元共滲處理后，H21鋼鋁合金型材擠壓模可擠壓型材20000m以上，其熱處理工藝如圖1所示。

圖1 鋁合金型材H21鋼擠壓模硫-碳-氮三元共滲熱處理工藝

3 真空硫-碳-氮三元共滲工藝

真空硫-碳-氮三元共滲是一種在真空狀態下進行的熱處理工藝[3]，通過真空硫-碳-氮三元共滲，可以很好地提高鋁合金擠壓模的耐磨性、抗咬合性和熱硬性，從而大大提高鋁合金擠壓模的使用壽命。由于真空對模具表面有凈化作用，有利于硫、碳、氮原子被鋼件表面吸收，因此可增加共滲速度。另外，在真空加熱中，氣體分子的自由能增大，氣體擴散迅速，也可增加共滲速度，因此采用真空共滲可以縮短共滲時間，提高共滲效果。由于鋁合金型材擠壓模形狀較復雜，所以采用脈沖式真空三元共滲工藝進行。

鋁合金型材擠壓模真空硫-碳-氮三元共滲工藝過程如下。

3.1 清洗、裝爐

先對鋁合金型材擠壓模進行清洗，去除表面的油污、臟垢，然后將模具單層輔放在不銹鋼網上，各層網之間用不銹鋼框架隔開，并與料框捆牢，最后裝入真空爐內。

3.2 淬火、回火

1）裝爐完畢后真空爐開始抽真空，當真空度達到1.3×102Pa左右時將真空爐通電加熱，并且同時繼續抽真空，直到真空度為1.3Pa。

2）加熱到850℃左右, 真空度為1.3Pa，保溫1h，對模具進行預熱。

3）繼續加熱到1100℃，真空度為25Pa，保溫0.5h，對模具進行加熱。

4）通入氮氣冷卻，對模具進行淬火。

5）加熱到570℃，真空度為500P a，保溫2h后，通入氮氣冷卻，對模具進行回火。

3.3 真空硫-碳-氮三元共滲

真空硫-碳-氮三元共滲介質為氨氣、乙醇和CS2，為獲得良好的滲層組織，必須控制好CS2的通入量，這是因為過厚的滲層、過高的硫含量，都會使滲層脆性增大，易產生剝落，同時過量的硫化物會阻止碳、氮的滲入，使共滲速度減慢。另外，硫化物雖然具有減磨、潤滑作用，但與基體的結合力差，只有附著在高硬度的基體上，才能充分發揮硫化物的減磨、潤滑作用。因此，采用先滲氮，在形成高硬度的滲氮層后，再進行硫-碳-氮三元共滲，共滲時混合氣體中氨氣、乙醇與CS2的體積比為75 :2 : 1。

1）加熱到520～540℃，真空度為1.3Pa，保溫0.5h，對模具進行預熱。

2）溫度保持在520～540℃，通入氨氣，真空度為500Pa時，停止介質供應，停止抽真空，保持爐內壓力不變并維持適當時間，在此時間內模具滲氮；之后抽真空，使爐內廢氣排出并得到較高的真空度（60Pa），在此時間內氮自模具表面向內擴散。

如此，送氣、抽氣交替進行（脈沖），模具的滲氮與氮向內層擴散同時進行，一般需1h才可形成高硬度的滲氮層。

3）溫度保持520～540℃，通入混合氣體，進行脈沖硫-碳-氮三元共滲，方法與上述相同，一般需0.5h才可使硫化物很好地附著在滲氮層表面，形成硫化層。

4）通入氮氣進行冷卻。

硫-碳-氮三元共滲后，滲層厚度為0.2 ～0.25mm，硫化層厚度為14μm。當模具溫度達到650℃時，模具硬度雖然會有所下降，但由于滲層硬度很高，只有當模具溫度達到750℃時，表面硬度才會降至48～52HRC。

4 鋁合金21H鋼擠壓模熱處理工藝

鋁合金H21鋼擠壓模熱處理工藝如圖2所示，真空硫-碳-氮三元共滲真空度控制曲線如圖3所示。

圖2 鋁合金型材H21鋼擠壓模熱處理工藝

圖3 真空硫-碳-氮三元共滲真空度控制曲線

鋁合金型材擠壓模采用真空硫-碳-氮三元共滲工藝后，模具具有很好的耐磨性、抗咬合性和熱硬性，模具使用壽命有了很大地提高，可擠壓型材10萬m以上。

5 結束語

通過采用硫-碳-氮三元共滲工藝，特別是真空硫-碳-氮三元共滲工藝，鋁合金H21鋼擠壓模的耐磨性、抗咬合性和熱硬性有了很大地提高，從而大大延長了模具的使用壽命。采用真空硫-碳-氮三元共滲后，鋁合金H21鋼擠壓模的使用壽命是常規熱處理工藝的40～50倍。