一种热作模具钢的低温渗碳方法

专利名称：一种热作模具钢的低温渗碳方法
技术领域：
本发明属于金属表面化学强化热处理领域，特别涉及一种热作模具钢的低温渗碳 方法。
背景技术：
渗碳是目前机械制造工业中最广泛应用的一种化学热处理方法。渗碳层经淬火+ 回火处理后，具有渗层厚、硬度高、韧性好、从表面到基体硬度过渡平缓等优点，能在重冲击 载荷和疲劳工况下服役，在齿轮、凸轮等领域应用广泛，显著提高工件的使用寿命。目前的渗碳技术，多用于碳含量较低的渗碳钢，合金含量很低，渗碳后表面碳浓度 升高，经淬火+低温回火后(小于250°C )，表面硬度大HRC60左右，而心部韧性高，深层厚 度达0.5 2mm，可承受重载荷摩擦磨损。但常规渗碳技术渗碳温度很高(900 930°C，处 于奥氏体化区间)，渗碳层无法在高于回火温度环境下工作，在热作模具钢上难以应用。热作模具钢包括热锻模、热挤压模和热铸模三种。其中热锻模和热挤压模表面除 需承受500 600°C高温外，还长常要承受重冲击载荷作用，高温摩擦磨损严重，模具寿命 很短。目前热锻模和热挤压模的表面处理方法是氮化和软氮化。但氮化和软氮化层硬度很 高(Hv900 1000)，且氮化和软氮化层薄(小于0. 2mm)，而热模具钢心部硬度只有Hv500左 右，氮化和软氮化层与基体硬度差大，在重载荷作用下，基体硬度无法对氮化和软氮化层形 成有效支撑，很容易塌陷和破碎，用氮化和软氮化来提高模具寿命效果不显著。渗碳层厚且 硬度介于氮化层与基体之间，是理想热作模具钢中间层，具有提高氮化层支撑作用。另外， 渗碳层本身也具有较高的硬度，也可直接用于工作层。性能优越的热作模具钢是中高合金钢，含有较多的Cr、Mo、W、V、Nb等碳化物形成 元素，同时碳含量在0. 3 0. 5wt. %之间。这些碳化物形成元素部分与钢中碳形成碳化物， 其余部分固溶于铁素体中。用常规方法渗碳，除奥氏体能固溶大量碳外，碳化物形成元素 也大量吸收碳，使原固溶于铁素体中的碳化物形成元素形成碳化物，并且部分碳化物转化 成高碳碳化物。使钢表面碳浓度显著升高(大于3% )。而当表面碳超过1. 6wt. %时马氏 体转变温度Ms点就已经下降至10°C以下，无法通过常规淬火获得马氏体，渗碳强化失去作 用。一般渗碳层含碳量要在0. 8 1. Iwt. %之间，超过此值容易在渗碳层表面形成块状或 网状碳化物。

发明内容
为了克服上述现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种热作模具钢的 低温渗碳方法；该方法解决了含碳化物形成元素模具钢的过渗碳问题。本发明的目的通过以下技术方案实现一种热作模具钢的低温渗碳方法，包括以 下操作步骤(1)将滴注井式渗碳炉升温至650 700°C，装入经过处理后的工件，各工件之间 不能相互接触，保证渗碳气氛通畅；盖好炉盖并滴入甲醇进行排气，甲醇的滴入量为110 150滴/min，并在出气口点燃排除燃气；所述工件为含有碳化物形成元素的热作模具钢；(2)加热升高炉温至根据经验公式计算的低温渗碳温度，调整甲醇滴入量为70 100滴/min，并滴入渗碳剂，进行低温渗碳，渗碳时间为4 6小时；(3)低温渗碳后，停止加热，同时停止滴入渗碳剂，将甲醇滴入量调整为70滴/ min,工件在甲醇气保护下炉冷至630 670°C，关闭甲醇，再随炉冷至500°C后，将工件取出 放置冷却，得到低温渗碳件；(4)将低温渗碳件在真空或保护性气体氛围下进行淬火，淬火热处理温度比不渗 碳材料的淬火热处理温度低30 50°C，保温温度比不渗碳材料的保温温度低30 50°C， 保温时间比不渗碳材料的保温时间长1. 5 2小时，得到淬火后渗碳件；(5)淬火后马上回火，回火2 4次，每次保温1小时后出炉水冷，回火温度比不渗 碳材料工件温度高5 10°C，得到低温渗碳热作模具钢。步骤(1)所述经过处理后的工件是将工件在8 IOwt. % NaOH溶液中用超声波清 洗10 30分钟，然后用5 IOwt. %的盐酸清洗3 5分钟，最后用酒精脱水并烘干。步骤(1)所述碳化物形成元素为Cr、Mo、W、V或Nb ；所述碳化物形成元素在热作模 具钢中的质量百分含量为5 IOwt. %。步骤⑵所述经验公式为T = 812-714. 3ω，其中T是低温渗碳温度，T以。C为单 位，ω是热作模具钢中碳化物形成元素的摩尔含量。步骤⑵所述渗碳剂为每摩尔碳氧比为2 η的有机液体；碳氧比为2时，渗碳剂 滴入量为15 25滴/min ；碳氧比彡2时，渗碳剂滴入量为30/n 50/n。所述渗碳剂为乙 醇或乙酸乙酯。步骤(3)所述低温渗碳件的低温渗碳层的表面碳浓度为1. 0 1. 3wt% ；渗碳层 表面的碳浓度主要由样品材料中碳化物形成元素的摩尔含量和渗碳温度决定，碳化物形成 元素摩尔含量越高，表面碳浓度越高、渗碳温度越高，表面碳浓度越高。表面碳浓度与渗碳 气氛中渗碳剂含量变化不明显，但过多的渗碳剂将导致样品表面积碳。传统的碳势定义和 控制方法在低于Acl温度渗碳时不可用。步骤⑷所述淬火后渗碳件的表面碳浓度降低至0. 8 1. Iwt. %。步骤(4)所述保温时间不仅取决于根据样品尺寸确保奥氏体均勻化，更要保证低 温渗碳层的充分均勻扩散，渗碳层厚度增加，表面碳浓度降低至0.8 1. Iwt. %范围。使油 冷淬火后组织为板条+针状马氏体，不出现透镜片状马氏体，表面残余奥氏体量降低。步骤(5)所述回火温度选择比不渗碳时高5 10°C，此时基体回火更充分，韧性更 好，而渗碳层硬度下降不大，有利于提高承受冲击载荷等重负荷能力。若模具工作时冲击载 荷不大，而更需要表面硬度，可降低回火温度。此时表面硬度提高。对于磨粒磨损严重的重载荷和冲击载荷环境，需要更高的表面硬度来提高模具寿 命，此时可在步骤(5)之后增加以下步骤将所得低温渗碳热作模具钢进行氮化或软氮化， 表面硬度提高至Hv950 1000 (相当于HRC67 69)，在渗碳层上的氮化或软氮化层其承载 能力显著提高(氮化或软氮化层的主要缺点是氮化层薄，氮化层与基体硬度梯度大，承载 能力差)。若选用软氮化(氮碳共渗)工艺，低温渗碳应选择渗碳层下限碳含量渗碳工艺。 因表面碳浓度过高会降低软氮化层厚度。本发明的原理是
模具钢在低于Acl温度时的组织是珠光体，因而渗碳实际上是在珠光体组织中的 铁素体相中进行，因碳在铁素体中的固溶度很低，因而热作模具钢的低温渗碳必须含有一 定量的碳化物形成元素(如Cr、Mo、W、V或Nb等)，才能获得渗碳层；热作模具钢中碳化物 形成元素的摩尔含量越高，渗层中碳含量越高。低温渗碳后热作模具钢的表面硬度比基体 明显提高，并保证渗碳后热作模具钢的热稳定性有所提高，使热作模具钢高温、重载荷，冲 击载荷下的摩擦磨损性能得到提高。本发明方法为热作模具钢和氮化层之间提供一个有效的支撑层，从而使氮化层能 在重载荷和冲击载荷条件下氮化层不被垮塌，更充分的发挥氮化层硬度高，耐磨性能好的 优点。本发明提出的热作模具钢的低温渗碳方法，是在低于奥氏体化温度Acl以下实现 的，依靠固溶在铁素体组织中的碳化物形成元素Cr、Mo、W、V、Nb等实现渗碳。渗入的碳以碳 化物的形式存在于晶界和铁素体中，渗碳层表面碳浓度可达1. 3wt. %，在随后的淬火加热 和保温过程中，渗碳层中的碳化物溶入奥氏体，碳更进一步扩散至奥氏体内部，渗碳层厚度 增加，表面碳浓度降低至0. 8 1. Iwt. %，淬油后表面硬度为HRC60 62，在520 600°C 回火硬度仍能保持在HRC56 60之间，渗碳层厚度可达0. 7mm以上，硬度变化平缓，基体硬 度为HRC47 50，韧性好。这种表面高硬度逐渐平缓过度到高韧性基体结构对于重载荷高 温摩擦磨损和冲击摩擦磨损具有良好的综合力学性能，可显著提高热锻模具和热挤压模具 的使用寿命。热作模具钢经低温渗碳和淬火+回火热处理后，还可进行氮化和软氮化处理，表 面硬度可提高至Hv950 1000 (相当于HRC67 69)，因有HRC56 60的低温渗碳层作支 撑，氮化和软氮化层的承载能力显著增加，在高温重载荷磨粒磨损等恶劣工况条件下模具 的使用寿命显著提高。可解决普通热作模具钢经淬火+回火后直接氮化或软氮化，氮化层 承载能力不足的问题。本发明的低温渗碳层是在滴注井式渗碳炉中实现的，渗碳样品材料需含有超过 4%摩尔分数的碳化物形成元素(Cr、Mo、W、Nb等)。用甲醇作稀释气体，乙醇作渗碳气体。 整个低温渗碳过程包括排气、渗碳和降温出炉三个阶段，与普通渗碳不同的是，渗碳温度低 于样品材料的Acl温度，且渗碳过程不包括扩散阶段，扩散阶段融合淬火热处理过程中。低 温渗碳后需要进行淬火+回火热处理，才能有效发挥渗碳层作用，对表面硬度要求更高的 模具，还需进行氮化或软氮化处理。本发明与现有技术相比，具有如下有点和效果(1)本发明的渗碳温度低于Acl温度，利用铁素体中的碳化物形成元素实现渗碳， 渗碳温度低，利用随后的淬火加热和保温来同时进行淬火奥氏体均勻化和渗碳层扩散均勻 化处理，缩短了渗碳时间，降低了能耗，渗碳后的热作模具钢回火稳定性不仅没有降低，反 而有所提高，可直接用于磨粒磨损要求不高的重载荷和重冲击载荷工况；而传统渗碳工艺 通常用于中低碳钢，在高温奥氏体相区进行，渗碳温度高于淬火温度，能耗大，且存在奥氏 体晶粒长大缺陷；最终渗碳层服役温度不超过250°C，无法在热作模具钢上使用。(2)目前大多数热作模具钢经淬回火热处理后，为了提高其高温表面耐磨粒磨损 性能，都进行氮化或软氮化处理。然而氮化层厚度薄，与基体硬度梯度大，不能承受重载荷 和重冲击载荷工况，模具往往因工作重载荷和冲击载荷(或因误操作造成的重冲击载荷)
5而使氮化层塌陷，造成模具过早失效；热作模具钢经低温渗碳处理和淬回火处理后，再进行 氮化或软氮化，大大提高氮化层对重载荷和重冲击载荷的承受能力，低温渗碳+氮化处理 的模具寿命比直接氮化处理显著提高。(3)本发明制备工艺简单，易于操作，只需在传统渗碳设备上，改进渗碳温度和渗 碳介质即可；如配备计算机智能控制，可实现工业自动化。


图1为本发明处理的3Cr3Mo3W2V试样低温渗碳后1080°C淬火，570°C回火并离子氮 化的金相组织图，表层深黑色的离子氮化层，次表层的是渗碳层，因渗碳层较厚，没有显示 基体组织。图2为本发明处理的3Cr3Mo3W2V试样低温渗碳后1080°C淬火，在各个温度回火的 硬度曲线图。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但发明的实施方式不限于 此。实施例1-热作模具钢HMl的低温渗碳一淬回火一离子氮化处理热作模具钢HMl是新型热作模具钢，高温强度好。HMl成分牌号是3Cr3Mo3W2V，钢 中含有Cr、Mo、W、V四种碳化物形成元素，根据HMl的碳化物形成元素的质量含量，计算出 摩尔含量为约为8.6%。通过查询材料手册知HMl的Acl温度为850°C，供货状态为球化退 火组织(铁素体+粒状碳化物)。(1)首先将样品切割成Φ IOX IOmm大小，在IOwt. % NaOH溶液中用超声波清洗20 分钟，然后用8wt. %的盐酸清洗5分钟，最后用酒精脱水并在低于120°C的烘箱内烘干备用。(2)升温滴注井式渗碳炉温度至650°C时，装入已经除油除锈并烘干的HMl样品， 滴入甲醇进行排气，甲醇滴入量为130滴/min，在排气口点燃排除废气，并继续升高温度；(3)根据公式T = 812-714. 3 ω，确定渗碳温度为750°C ；当炉温升高到750°C时， 开始滴入乙醇，滴入量为20滴/min，并调整甲醇滴入量为90滴/min，保温300min ；(4)保温到时后，调整甲醇滴入量为70滴/min，同时关闭乙醇滴入量，停止加热， 待炉子在保护性气氛下冷却到650°C时，关闭甲醇，再随炉冷至500°C时，取出样品。用等离 子发射光谱法(ICP)测量到样品表面的平均碳浓度是1. 21wt. % ；(5)在真空真将样品加热1080°C，保温120min后淬油，此时样品表面碳浓度为 1. 02wt. %，表面硬度为HRC61 62，基体硬度为HRC54 55，从表面到基体硬度变化平缓；(6)淬火样品在520 590°C不同温度下回火1小时3次，每次水冷，以防止第二 类回火脆性，样品表面和基体的硬度随回火温度的变化曲线见图2，在500 600°C回火温 度范围内，渗碳层比基体硬度高约HRC5 6。(7)回火后的样品在560°C离子氮化5小时后，界面组织见图1.。表面氮化层硬度 为Hvl020(相当于HRC69. 5)，厚度为0. 1mm，氮化层与渗碳层结合致密，没有界面缺陷；渗碳 层硬度为HRC59 60，厚度为0. 9 1. Omm ；基体硬度为HRC52，形成了良好的硬度平缓过
6度。经低温渗碳+淬回火+氮化处理HMl气门热段模，比直接用淬回火+氮化处理的模具 寿命提高了 2. 2倍。实施例2-热作模具钢H13的低温渗碳一淬回火一软氮化处理热作模具钢H13是目前广泛应用的铝型材热挤压模，成分牌号是4Cr5MoSiVl，钢中 含有Cr、Mo、W、V四种碳化物形成元素，根据H13的碳化物形成元素的质量含量，计算出摩 尔含量约为7. 2%。通过查询材料手册知H13的Acl温度为850°C，供货状态为球化退火组 织(铁素体+粒状碳化物)。(1)首先将样品切割成Φ IOX IOmm大小，在IOwt. % NaOH溶液中用超声波清洗20 分钟，然后用8wt. %的盐酸清洗5分钟，最后用酒精脱水并在低于120°C的烘箱内烘干备用。(2)升温滴注井式渗碳炉温度至650°C时，装入已经除油除锈并烘干的H13样品， 滴入甲醇进行排气，甲醇滴入量为130滴/min，在排气口点燃排除废气，并继续升高温度；(3)根据公式T = 812-714. 3 ω，确定渗碳温度为760V ；当炉温升高到760°C时， 开始滴入乙醇，滴入量为20滴/min，并调整甲醇滴入量为90滴/min，保温300min ；(4)保温到时后，调整甲醇滴入量为70滴/min，同时关闭乙醇滴入量，停止加热， 待炉子在保护性气氛下冷却到650°C时，关闭甲醇，再随炉冷至500°C时，取出样品。用等离 子发射光谱法(ICP)测量到样品表面的平均碳浓度是1. 02wt. % ；(5)在真空真将样品加热1020°C，保温120min后淬油，此时样品表面碳浓度为 0. 85wt. %，表面硬度为HRC60 60. 5，基体硬度为HRC50 52，从表面到基体硬度变化平 缓；(6)淬火样品在570°C回火1小时3次，每次水冷，以防止第二类回火脆性。(7)回火后的样品在565°C气体软氮化5小时后，表面氮化层硬度为Hvl050(相当 于HRC70)，厚度为0. 1mm，氮化层与渗碳层结合致密，没有界面缺陷；渗碳层硬度为HRC58 59，厚度为0. 7 0. 8mm ；基体硬度为HRC48 49，形成了良好的硬度平缓过度。实施例3-热作模具钢3Cr2W8V的低温渗碳一淬回火处理热作模具钢3Cr2W8V是长期以来应用最广泛镦锻模具和压铸模具钢，钢中含有Cr、 W、v三种碳化物形成元素，根据3Cr2W8V的碳化物形成元素的质量含量，计算出摩尔含量为 约为6%。通过查询材料手册知3Cr2W8V的Acl温度为830°C，供货状态为球化退火组织 (铁素体+粒状碳化物)。(1)首先将样品切割成Φ IOX IOmm大小，在IOwt. % NaOH溶液中用超声波清洗20 分钟，然后用8wt. %的盐酸清洗5分钟，最后用酒精脱水并在低于120°C的烘箱内烘干备用。(2)升温滴注井式渗碳炉温度至650°C时，装入已经除油除锈并烘干的3Cr2W8V样 品，滴入甲醇进行排气，甲醇滴入量为130滴/min，在排气口点燃排除废气，并继续升高温 度；(3)根据公式T = 812-714. 3 ω，确定渗碳温度为770°C ；当炉温升高到770°C时， 开始滴入乙醇，滴入量为20滴/min，并调整甲醇滴入量为90滴/min，保温300min ；(4)保温到时后，调整甲醇滴入量为70滴/min，同时关闭乙醇滴入量，停止加热， 待炉子在保护性气氛下冷却到650°C时，关闭甲醇，再随炉冷至500°C时，取出样品。用等离子发射光谱法(ICP)测量到样品表面的平均碳浓度是1. 22wt. % ；(5)在真空真将样品加热1120°C，保温120min后淬油，此时样品表面碳浓度为 1. 05wt. %，表面硬度为HRC60 61，基体硬度为HRC52 53，从表面到基体硬度变化平缓；(6)淬火样品在580°C回火1小时3次，每次水冷，以防止第二类回火脆性。回火 后渗碳层硬度为HRC59 60，厚度为0. 9 1. Omm ；基体硬度为HRC49 50，形成了良好的 硬度平缓过度，渗碳层韧性良好，可承受较高重冲击载荷。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
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权利要求
一种热作模具钢的低温渗碳方法，其特征在于包括以下操作步骤(1)将滴注井式渗碳炉升温至650～700℃，装入经过处理后的工件，盖好炉盖并滴入甲醇进行排气，甲醇的滴入量为110～150滴/min，并在出气口点燃排除燃气；所述工件为含有碳化物形成元素的热作模具钢；(2)加热升高炉温至根据经验公式计算的低温渗碳温度，调整甲醇滴入量为70～100滴/min，并滴入渗碳剂，进行低温渗碳，渗碳时间为4～6小时；(3)低温渗碳后，停止加热，同时停止滴入渗碳剂，将甲醇滴入量调整为70滴/min，工件在甲醇气保护下炉冷至630～670℃，关闭甲醇，再随炉冷至500℃后，将工件取出放置冷却，得到低温渗碳件；(4)将低温渗碳件在真空或保护性气体氛围下进行淬火，淬火热处理温度比不渗碳材料工件的淬火热处理温度低30～50℃，保温温度比不渗碳材料工件的保温温度低30～50℃，保温时间比不渗碳材料工件的保温时间长1.5～2小时，得到淬火后渗碳件；(5)淬火后马上回火，回火2～4次，每次保温1小时后出炉水冷，回火温度比不渗碳材料工件温度高5～10℃，得到低温渗碳热作模具钢。
2.根据权利要求1所述的一种热作模具钢的低温渗碳方法，其特征在于步骤⑴所 述经过处理后的工件是将工件在8 IOwt. % NaOH溶液中用超声波清洗10 30分钟，然 后用5 IOwt. %的盐酸清洗3 5分钟，最后用酒精脱水并烘干。
3.根据权利要求1所述的一种热作模具钢的低温渗碳方法，其特征在于步骤⑴所 述碳化物形成元素为Cr、Mo、W、V或Nb ；所述碳化物形成元素在热作模具钢中的质量百分含 量为5 IOwt. V0o
4.根据权利要求1所述的一种热作模具钢的低温渗碳方法，其特征在于步骤⑵所 述经验公式为T = 812-714. 3ω，其中T是低温渗碳温度，T以。C为单位，ω是热作模具钢 中碳化物形成元素的摩尔含量。
5.根据权利要求1所述的一种热作模具钢的低温渗碳方法，其特征在于步骤⑶所 述低温渗碳件的低温渗碳层的表面碳浓度为1. 0 1. 3wt%。
6.根据权利要求1所述的一种热作模具钢的低温渗碳方法，其特征在于步骤⑷所 述淬火后渗碳件的表面碳浓度降低至0. 8 1. Iwt. %。
7.根据权利要求1所述的一种热作模具钢的低温渗碳方法，其特征在于步骤⑵所 述渗碳剂为每摩尔碳氧比为2 η的有机液体；碳氧比为2时，渗碳剂滴入量为15 25滴 /min ；碳氧比彡2时，渗碳剂滴入量为30/n 50/n。
8.根据权利要求7所述的一种热作模具钢的低温渗碳方法，其特征在于所述渗碳剂 为乙醇或乙酸乙酯。
9.根据权利要求1所述的一种热作模具钢的低温渗碳方法，其特征在于在步骤(5) 之后增加以下步骤将所得低温渗碳热作模具钢进行氮化或软氮化。
全文摘要
本发明公开了一种热作模具钢的低温渗碳方法。该方法需要热作模具钢中碳化物形成元素的质量百分含量为5～10wt.％，伏痰温度在低于奥氏体化温度Ac1进行。其制备方法包括以下步骤工件在滴注式渗碳炉中进行排气升温，保温渗碳，炉冷降温，最后通过淬火保温控制渗碳层厚度和均匀性，回火控制渗碳层硬度和韧性。本发明不仅能直接提高热作模具钢在淬火后后的表面硬度提高至HRC60，渗碳层厚度达0.7～1.0mm，可承受重载荷和冲击载荷高温摩擦磨损工况。在低温渗碳层表面可直接进行氮化和软氮化，进一步提高表面硬度的同时，大大提高氮化层承受重载荷和冲击载荷高温摩擦磨损能力。
文档编号C23C8/22GK101928912SQ20101027094
公开日2010年12月29日 申请日期2010年8月31日 优先权日2010年8月31日
发明者余红雅, 刘仲武, 孙歌, 曾德长, 邱万奇, 钟喜春 申请人:华南理工大学