一种h13钢表面渗层无白亮层的复合处理方法

　　专利名称：一种h13钢表面渗层无白亮层的复合处理方法

　　技术领域：

　　本发明属于金属复合热处理技术，具体涉及提高H13钢耐磨性、耐疲劳性能的复合热处理方法。

　　背景技术：

　　AISI H13钢由于具有高强度、高韧性、良好的回火稳定性、较高的耐冷热疲劳性能及价格适中的优点，已成为国际上广泛应用的一种模具钢，可作为压铸模、热锻模、热挤压模、芯棒、模锻用锻模、精锻机上的锻模、压力机上锻模及铜、铝及其合金的压铸模等；作为热作模具时，在服役中反复与高温状态的加工材料接触，在周期性的交变应力作用下，模 具材料尤其是表层组织将会发生变化，性能也会相应的发生改变，最终导致失效，主要失效形式有热疲劳、热磨损、腐蚀和塑性变形等，因此，为提高其表面硬度、耐蚀、和抗粘结等性能，需对其进行表面处理，保持模具心部原有强度与韧性的同时有效提高其表面强度，提高其使用寿命，常用的改善H13钢表面性能的方法有(I)电镀，(2)离子注入，(3)渗氮等，但上述表面处理方法常存在表面渗层或涂层与基体结合力的问题，结合力不好，则渗层或涂层容易脱落。在众多的表面处理方法中，离子氮化能有效提高模具表面强度，增强模具的耐磨性、耐蚀性，这与离子氮化后在其表面形成的渗层密切相关，H13钢的回火温度一般在560°C左右，离子渗氮温度应低于回火温度2(T40°C，故调质热处理的回火温度限制了离子渗氮温度，因此传统的H13模具钢离子渗氮温度一般在51(T550°C之间，常用的为520°C左右；而520°C离子氮化由于渗氮温度较低，白亮层和扩散层厚度都较薄，且白亮层在显微镜下很难看清，扩散层约为145 ym，不能很好的提高模具的性能，处理后的金相组织如图2所示；580°C离子氮化后能得到白亮层和扩散层都较厚的金相组织，此时扩散层厚度明显高于520°C渗氮后扩散层厚度，约为245 pm，如图3所示，表面物相组成如图4所示，但当渗氮温度高于650°C时，最高硬度值有所下降，因为随着渗氮温度的升高，氮在奥氏体中的扩散系数增加，表层氮浓度下降，且原来亚稳态的氮化物将会过渡到稳定态的氮化物，共格关系受到破坏，片状氮化物聚集并长大，弥散度下降，因此硬度也会下降。离子氮化后表面存在的白亮层尽管在某些环境下是有利的，因为其具有较好的耐蚀性和耐磨性，但在承受冲击载荷的条件下则不利于工件的工作，这是由于白亮层在受力条件下，容易破裂，破碎的硬物质颗粒急剧损坏对偶材料双方，磨损微粒甚至会粘附在其它零件上，造成二次损害；另外，破裂时的裂纹尖端也会很快转换成疲劳裂纹源，降低疲劳寿命，从而大大降低工件的使用寿命；早期的解决办法是用磨削的方法去掉白亮层，仅保留扩散层，但由于操作上的困难，难以控制，废品率极高，现有技术中采用较低的温度或压力下也能得到无白亮层的渗层，但此时由于渗氮温度和气体压力较低，得到的渗层较浅，耐磨性，耐热疲劳性能也不足发明内容

　　本发明针对上述方法存在的不足，采用先较高温度离子氮化获得厚渗层，后调质处理溶解白亮层并提高基体N浓度的复合热处理工艺，克服了传统工艺先调质处理后离子氮化导致的渗层浅和去除白亮层操作困难的不足，得到了渗层厚，硬度梯度平缓，耐磨性、耐疲劳性良好的H13模具钢试样。本发明的技术方案为将H13钢试样进行磨光、清洗后，置于离子氮化炉中进行较高温度离子氮化，然后在离子氮化后的试样表面涂覆一层抗高温、防脱碳202涂料，以避免H13钢在随后的高温淬火加热工程中氧化脱碳，最后在箱式电阻炉中进行淬火和回火处理。本发明的工艺路线为将H13钢试样进行磨光、清洗后，置于离子氮化炉中于56(T650°C离子氮化6 50h，渗氮气体流量N2为600mL/min，H2为200mL/min，氮氢比为1:3，气体压力为400Pa，接着在离子氮化后的H13钢表面涂覆一层生产的抗高温、防脱碳的202涂料，以避免H13钢在随后的高温淬火加热工程中氧化脱碳，最后在箱式电阻炉中进行调质处理(淬火和回火处理)，淬火温度90(Tl00(TC，时间为0. 5h，回火温度54(T580°C，回火2次，每次2h，工艺路线见图I。 所述抗高温、防脱碳的202涂料购自江苏黄岩特种涂料厂。本发明与现有技术相比所具有的显著特点是

　　1、将传统工艺先调质处理后离子氮化改为先离子氮化后调质处理；

　　2、提高离子氮化温度和气体压力以得到更深的渗层；

　　3、离子氮化后采用调质处理溶解消除白亮层，提高近表层基体N浓度，得到平缓的硬度梯度。

　　图I本发明工艺路线 图2传统520°C +6h离子氮化后样品放大200倍截面金相组织；

　　图3传统580°C +6h离子氮化后样品放大200倍截面金相组织；

　　图4传统580°C +6h离子氮化后样品表面衍射图谱；

　　图5 (5800C +6h)离子氮化+950°C淬火+560°C两次回火后样品放大200倍截面金相组织；

　　图6 (5800C +6h)离子氮化+950°C淬火+560°C两次回火样品的表面衍射图谱；

　　图7 (6000C +20h)离子氮化+1000°C淬火+560°C两次回火后样品放大200倍截面金相组织；

　　图8 H13钢580°C +6h离子氮化与复合处理样品截面硬度梯度图。

　　具体实施例方式实施例I (580°C +6h)离子氮化+950°C淬火+560°C两次回火

　　将准备好的H13钢试样放入离子氮化炉中进行离子氮化，渗氮温度为580°C，保温时间为6h，渗氮气体流量N2为600mL/min, H2为200mL/min，氮氢比为1:3，气体压力为400Pa ；将经过上述离子氮化的试样表面涂覆一层抗高、防脱碳202涂料，然后进行950°C淬火，560°C两次回火；截面金相组织如图5所示，经复合处理后，表面白亮层消失，但扩散层依然存在，表面的Fe3N、Fe4N均消失，取而代之的是一些铁的氧化物(Fe3O4和Fe2O3)和铁铬合金(Fe, Cr)，见图6 ;与传统只进行离子氮化相比，复合处理的截面硬度峰值为927. 7HV0.01,明显低于仅氮化试样的硬度峰值，但复合后硬度梯度较平缓，见图8 ;对于承受冲击载荷较大的模具钢，高硬度反而会使模具更易失效，而表面硬度值不是很高，硬度梯度又较平缓的模具会显著提高其使用寿命。实施例2 (6000C +20h)离子氮化+1000°C淬火+560°C两次回火

　　将H13钢试样放入离子氮化炉中进行离子氮化，渗氮温度为600°C，保温时间为20h，渗氮气体流量N2为600mL/min，H2为200mL/min，氮氢比为1: 3， 气体压力为400Pa。将经过上述离子氮化的试样表面涂覆一层抗高温、防脱碳202涂料，然后1000°C淬火，保温时间0. 5h，560°C回火两次，保温时间2h ;从图7可以看出，1000°C淬火后没有明显分层，暗黑色组织消失，取而代之的是较为均匀的组织，这可能是由于氮原子在高温下得到充分扩散所致；另外，从截面硬度梯度图8可知，600°C离子氮化及1000 0C淬火后，硬度峰值为692. 5HV0.01，也明显高于基体硬度461. 5HV0.01,而且其硬度梯度平缓，对提高承受冲击载荷的模具的使用寿命是有利的。

　　以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

　　权利要求

　　1.一种H13钢表面渗层无白亮层的复合处理方法，其特征在于采用先较高温度离子氮化获得厚渗层，后调质处理溶解白亮层并提高基体N浓度，得到了渗层厚，硬度梯度平缓，耐磨性、耐疲劳性良好的H13模具钢试样，具体为将H13钢试样进行磨光、清洗后，置于离子氮化炉中于56(T650°C离子氮化6 50h，渗氮气体流量N2为600mL/min，H2为200mL/min,氮氢比为1: 3，气体压力为400Pa，接着在离子氮化后的H13钢表面涂覆一层生产的抗高温、防脱碳的202涂料，最后在箱式电阻炉中进行调质处理，所述调质处理包括淬火和回火处理，淬火温度90(Tl00(TC，时间为0. 5h，回火温度54(T580°C，回火2次，每次2h。

　　全文摘要

　　本发明属于金属复合热处理技术，具体涉及提高H13钢耐磨性、耐疲劳性能的复合热处理方法。本发明采用先较高温度离子氮化获得厚渗层，后调质处理溶解白亮层并提高基体N浓度的复合热处理工艺，克服了传统工艺先调质处理后离子氮化导致的渗层浅和去除白亮层操作困难的不足，得到了渗层厚，硬度梯度平缓，耐磨性、耐疲劳性良好的H13模具钢试样。

　　文档编号C23C8/38GK102797015SQ20121023818

　　公开日2012年11月28日 申请日期2012年7月11日 优先权日2012年7月11日

　　发明者胡静, 孟凡娜, 蔡伟 申请人:常州大学