CN105369189A - 一种用于h13模具钢的氮化工艺 - Google Patents

一种用于h13模具钢的氮化工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于H13模具钢的氮化工艺。本发明的一种用于H13模具钢的氮化工艺，包括以下步骤：将H13模具钢经淬火回火工艺后进行硬度筛选；对H13模具钢的表面进行清洗、磨光预处理；将H13模具钢放入真空式气体氮化炉中，抽真空后通入氮气复压，并保持正压；强渗阶段、扩散阶段两个阶段升温并保温一段时间；冷却阶段后完成氮化处理。本发明的用于H13模具钢的氮化工艺，有效控制H13模具钢氮化时产生的不良组织，大大提高了模具的使用寿命，从而降低成本，减少报废率。

Description

一种用于H13模具钢的氮化工艺
技术领域
本发明涉及氮化热处理工艺技术领域，尤其涉及一种用于H13模具钢的氮化工艺。
背景技术
H13模具钢由于具有高强度、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H13模具钢的表面硬度、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，常对H13模具钢的表面做氮化热处理工艺。
氮化热处理，是指一种在一定温度下、一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。经氮化热处理的制品具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性及耐高温的特性。但是，传统的氮化热处理工艺，工件氮化后形成大量的不良组织，例如脉状组织和白亮层，而且表面硬度变化梯度陡。脉状组织及白亮层是一种氮铁化合物，是在一定温度下，氮离子渗入工件的金属表面中形成的。脉状组织及白亮层在光学显微镜下观察呈白色，具有耐腐蚀性。脉状组织主要分布在渗层内部，而白亮层主要覆盖在金属表面；该类氮铁化合物具有较好的抗磨损性能，但其同时又硬且脆，不宜受冲击载荷，特别是对于应用于高速锻造设备中的模具，例如H13模具钢材料，在加工氮化后的模具时，冲击载荷大、冷热交替加工，使模具表面产生大量不良组织，使模具的表面出现剥落及掉块的现象。采用传统的氮化工艺较难控制该类不良氮化组织，往往要采用人工进行氮化参数的控制，稳定性较差，不能有效控制脉状组织及白亮层等不良组织的产生。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于H13模具钢的氮化工艺，有效控制H13模具钢氮化时产生的不良组织，处理得到的H13模具钢样渗层厚、硬度梯度平缓，提高了H13模具钢的使用寿命。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于H13模具钢的氮化工艺，包括以下步骤：
1)硬度筛选：H13模具钢经淬火回火工艺后进行硬度筛选，筛选出奥氏体含量低于5％的H13模具钢；
2)预处理：将经步骤1)筛选出的H13模具钢的表面进行清洗、磨光预处理；
3)充氮气：将经步骤2)预处理的H13模具钢放入真空式气体氮化炉中，抽真空后通入氮气复压，并保持正压；
4)加热：向真空式气体氮化炉中通入氮气、二氧化碳、氨气，加热升温至500～530℃，保持氮势为3.8～4，保温5～7小时，进入强渗阶段；
5)继续加热：向真空式气体氮化炉中通入氮气、二氧化碳、氨气，继续加热升温至530～560℃，保持氮势为0.8～1.2，保温5～7小时，进入扩散阶段；
6)冷却：经步骤5)加热结束后，降温至100℃时将H13模具钢从真空式气体氮化炉中取出，冷却至室温。
其中，步骤1)中，所述淬火回火工艺为：将H13模具钢加热至1030℃后淬火、500℃回火，经淬火回火处理，使H13模具钢的使用寿命更长。
其中，步骤2)中，所述清洗、磨光预处理具体过程为：将经步骤1)筛选出的H13模具钢用丙酮清洗表面油污，然后对表面进行磨光处理。
其中，步骤3)的具体过程为：将经步骤2)预处理的H13模具钢放入真空式气体氮化炉中，抽真空至1mbar，以1.5L/h的流量通入氮气复压，并保持正压。需要说明的是，所述的正压为稍大于正常大气压，使炉内不是负压状态。
其中，步骤4)中，向真空式气体氮化炉中通入氮气、二氧化碳、氨气，加热升温至520～530℃，保持氮势为3.9，保温6小时，进入强渗阶段。
其中，步骤5)中，向真空式气体氮化炉中通入氮气、二氧化碳、氨气，继续加热升温至530～540℃，保持氮势为1，并保温6小时，进入扩散阶段。
其中，步骤6)中，所述的降温以200℃/h的速度进行降温。
其中，步骤6)的具体过程为：以1.5L/h的流量往真空式气体氮化炉中通入氮气，以200℃/h的速度降温至100℃时，将H13模具钢从真空式气体氮化炉中取出，冷却至室温。
氮化温度越高，氮化时间越长，硬度有下降的趋势，但渗层深度随时间延长越来越深，而氮化白层跟氮势有密切关系。氮势往往是采用Kn值来表示，通过氮化炉内的氢探头传感器测量炉内氢气含量，反馈至控制***，计算出氮势，通过氮势来控制氮气、氨气、二氧化碳的流量计流量，从而决定氮化层组织；通过选择氮化温度和氮化时间来控制氮化后所需的表面硬度和渗层深度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的用于H13模具钢的氮化工艺，将H13模具钢淬火回火后做一个硬度筛选，使要氮化处理的模具钢达到硬度的要求；清洗、磨光预处理可以有效去除H13模具钢表面的污物，便于下一步的氮化处理；抽真空后充氮气并保持炉内正压，排出炉内的空气、氨气等气体，防止模具钢的表面被氧化，同时防止炉内的氨气与氧气高温下反应发生***，避免产生安全隐患；将H13模具钢放入真空式气体氮化炉中，分二个阶段进行氮化处理，强渗阶段和扩散阶段，通过氮化温度和氮化时间的控制使材料的表面硬度、渗层深度、不良组织层等得到精确控制；其中，二氧化碳的通入，使其高温下分解的氧气与氨气分解得到的氢气相结合生成水，有效缩短了氮化时间，从而有效控制了渗层的厚度；控制降温速度及降温时间，使模具钢的表面硬度均匀；本发明用于H13模具钢的氮化工艺，使H13模具钢的表面硬度得到提高，有效控制H13模具钢氮化时产生的不良组织，大大提高了模具的使用寿命，从而降低成本，减少报废率。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
一种用于H13模具钢的氮化工艺，包括以下步骤：
1)H13模具钢经淬火回火工艺后进行硬度筛选，控制淬火回火工艺参数为：淬火回火工艺为：将H13模具钢加热至1030℃后淬火、500℃回火，筛选出奥氏体含量为5％的H13模具钢；
2)将经步骤1)筛选出的H13模具钢用丙酮清洗表面油污，然后对表面进行磨光处理；
3)将经步骤2)预处理的H13模具钢放入真空式气体氮化炉中，抽真空至1mbar，以1.5L/h的流量通入氮气复压，并保持正压；
4)向真空式气体氮化炉中通入氮气、二氧化碳、氨气，加热升温至520～530℃，保持氮势为3.9，保温6小时，进入强渗阶段；
5)向真空式气体氮化炉中通入氮气、二氧化碳、氨气，继续加热升温至530～540℃，保持氮势为1，并保温6小时，进入扩散阶段；其中，加热是采用辐射式加热，通过炉内气体为介质传导热量，且在炉胆外侧装有循环风扇，保证炉内气流呈层流状态；
6)经步骤5)加热结束后，以1.5L/h的流量往真空式气体氮化炉中通入氮气，以200℃/h的速度降温至100℃时，将H13模具钢从真空式气体氮化炉中取出，冷却至室温。
实施例2
一种用于1.2367模具钢的氮化工艺，包括以下步骤：
1)1.2367模具钢经淬火回火工艺后进行硬度筛选，控制淬火回火工艺参数为：将1.2367模具钢加热至1030℃后淬火、500℃回火，筛选出奥氏体含量为5％的1.2367模具钢；
2)将经步骤1)筛选出的1.2367模具钢用丙酮清洗表面油污，然后对表面进行磨光处理；
3)将经步骤2)预处理的1.2367模具钢放入真空式气体氮化炉中，抽真空至1mbar，以1.5L/h的流量通入氮气复压，并保持正压；
4)向真空式气体氮化炉中通入氮气、二氧化碳、氨气，加热升温至520～530℃，保持氮势为3.6，保温6小时，进入强渗阶段；
5)向真空式气体氮化炉中通入氮气、二氧化碳、氨气，继续加热升温至530～540℃，保持氮势为0.8-1.0，并保温6小时，进入扩散阶段；其中，加热是采用辐射式加热，通过炉内气体为介质传导热量，且在炉胆外侧装有循环风扇，保证炉内气流呈层流状态；
6)经步骤5)加热结束后，以1.5L/h的流量往真空式气体氮化炉中通入氮气，以200℃/h的速度降温至100℃时，将1.2367模具钢从真空式气体氮化炉中取出，冷却至室温。
分别对H13模具钢和1.2367模具钢材料做了氮化处理，对实施例1～2经氮化处理的模具钢材料的表面硬度、渗层厚度及不良组织情况进行检测，实验结果见表1。
表1
由表1可以看出，经本发明的氮化工艺处理后，H13模具钢与1.2367模具钢的氮化效果良好，并且氮化后耐磨性好，表面硬度均匀。H13模具钢与1.2367模具钢相比，铝(Al)的含量相同，H13模具钢中钼(Mo)的质量分数为1.1～1.75％，1.2367模具钢中钼(Mo)的质量分数为2.7～12.8％。其中，Mo的存在可以使淬火双C曲线右移，所以含量越高其淬火机械性能越高，故1.2367模具钢与H13模具钢相比，氮原子结合力更强，氮化效果更好，故保证氮化组织效果，1.2367模具钢的氨气通入量比H13模具钢的氨气通入量少，使Kn值低0.2-0.6即可以达到国际标准。因此，本发明的氮化工艺同样可以用于1,2367模具钢的氮化处理。
另外，模具钢工件的氮化效果主要取决于工件中Al、Mo的含量，经过试验证明，工件中的Al元素含量每少0.1％，氮化处理时所需的Kn值须下降0.15，否则容易产生脉状组织和白亮层等不良组织。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (8)

1.一种用于H13模具钢的氮化工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)硬度筛选：H13模具钢经淬火回火工艺后进行硬度筛选，筛选出奥氏体含量低于5％的H13模具钢；
2)预处理：将经步骤1)筛选出的H13模具钢的表面进行清洗、磨光预处理；
3)充氮气：将经步骤2)预处理的H13模具钢放入真空式气体氮化炉中，抽真空后通入氮气复压，并保持正压；
4)加热：向真空式气体氮化炉中通入氮气、二氧化碳、氨气，加热升温至500～530℃，保持氮势为3.8～4，保温5～7小时，进入强渗阶段；
5)继续加热：向真空式气体氮化炉中通入氮气、二氧化碳、氨气，继续加热升温至530～560℃，保持氮势为0.8～1.2，保温5～7小时，进入扩散阶段；
6)冷却：经步骤5)加热结束后，降温至100℃时将H13模具钢从真空式气体氮化炉中取出，冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的一种用于H13模具钢的氮化工艺，其特征在于，步骤1)中，所述淬火回火工艺为：将H13模具钢加热至1030℃后淬火、500℃回火。
3.根据权利要求1所述的一种用于H13模具钢的氮化工艺，其特征在于，步骤2)中，所述清洗、磨光预处理具体过程为：将经步骤1)筛选出的H13模具钢用丙酮清洗表面油污，然后对表面进行磨光处理。
4.根据权利要求1所述的一种用于H13模具钢的氮化工艺，其特征在于，步骤3)的具体过程为：将经步骤2)预处理的H13模具钢放入真空式气体氮化炉中，抽真空至1mbar，以1.5L/h的流量通入氮气复压，并保持正压。
5.根据权利要求1所述的一种用于H13模具钢的氮化工艺，其特征在于，步骤4)中，向真空式气体氮化炉中通入氮气、二氧化碳、氨气，加热升温至520～530℃，保持氮势为3.9，保温6小时，进入强渗阶段。
6.根据权利要求1所述的一种用于H13模具钢的氮化工艺，其特征在于，步骤5)中，向真空式气体氮化炉中通入氮气、二氧化碳、氨气，继续加热升温至530～540℃，保持氮势为1，并保温6小时，进入扩散阶段。
7.根据权利要求1所述的一种用于H13模具钢的氮化工艺，其特征在于，步骤6)中，所述的降温以180～220℃/h的速度进行降温。
8.根据权利要求1所述的一种用于H13模具钢的氮化工艺，其特征在于，步骤6)的具体过程为：以1.5L/h的流量往真空式气体氮化炉中通入氮气，以200℃/h的速度降温至100℃时，将H13模具钢从真空式气体氮化炉中取出，冷却至室温。
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