H13鋼周期式抽真空氣體滲氮工藝研究

冼酷元，李助軍，張偉文，朱繁康（.廣州華工光機(jī)電科技有限公司，廣州　50640；.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與電子學(xué)院，廣州　50430）

H13鋼周期式抽真空氣體滲氮工藝研究

冼酷元1，李助軍2，張偉文1，朱繁康1
（1.廣州華工光機(jī)電科技有限公司，廣州510640；2.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與電子學(xué)院，廣州5110430）

在井式滲氮爐中進(jìn)行周期式抽真空氣體滲氮工藝試驗(yàn)，選取不同的滲氮溫度、滲氮時(shí)間、氨分解率和抽真空頻率等工藝參數(shù)，檢測(cè)滲氮后試樣滲氮層的硬度和組織結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，在其他因素不變的條件下，滲氮層厚度隨滲氮溫度增加而增加；滲氮層表面硬度和滲氮層厚度隨滲氮時(shí)間增加而增加；滲氮層表面硬度和滲氮層厚度隨氨分解率增加而降低；滲氮層表面硬度和滲氮層厚度隨抽真空頻率增加而增加。

H13鋼，周期式抽真空，氣體滲氮

0　引言

H13鋼為生產(chǎn)上典型的熱作模具鋼［1］，用于制作鋅、鋁等合金壓鑄模，該鋼種有著良好的熱穩(wěn)定性、熱強(qiáng)性及熱疲勞性能，但是，對(duì)H13鋼鋁合金壓鑄模的使用情況調(diào)查表明，機(jī)械沖蝕、化學(xué)腐蝕和熱疲勞損壞仍是其主要失效原因，其中，熱疲勞失效占60%～70%［2］。滲氮對(duì)提高熱作模具的熱疲勞、耐熱磨損和耐腐蝕性能有明顯作用，可以提高壓鑄模具的使用壽命。

傳統(tǒng)氣體滲氮工藝所需時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾十小時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)硬度不均勻、滲層脆性大等缺陷，常常需要在滲氮后采取措施進(jìn)行補(bǔ)救［3］。真空脈沖和等離子滲氮技術(shù)是利用真空加熱時(shí)工件表面清潔、無(wú)氧化等特點(diǎn)進(jìn)行滲氮［4-6］，模具滲氮后壽命明顯提高［7］。

本文結(jié)合常規(guī)氣體滲氮技術(shù)與真空脈沖滲氮技術(shù)的特點(diǎn)，研究了一種新的名為周期式抽真空氣體滲氮工藝，并研究不同工藝參數(shù)條件下其對(duì)H13鋼表面組織的影響。

1　試驗(yàn)材料及方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為H13鋼，化學(xué)成分如表1所示，試樣毛坯尺寸為20 mm×20 mm×300 mm，試樣先進(jìn)行真空淬火并且用普通井式回火爐回火預(yù)先熱處理，預(yù)先熱處理后的硬度為49～51 HRC，金相組織如圖1所示，金相組織為回火馬氏體。經(jīng)過(guò)真空淬火處理的試樣毛坯加工成10 mm×10 mm×11 mm的試樣。

表1　H13的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）　%

圖1　試樣經(jīng)過(guò)預(yù)先熱處理的金相組織

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用的設(shè)備為60 kW井式周期式抽真空氣體滲氮爐，試樣經(jīng)過(guò)砂紙拋光后放入爐內(nèi)，按照需工藝參數(shù)進(jìn)行周期式抽真空氣體滲氮處理。滲氮試驗(yàn)過(guò)程中抽真空時(shí)，將爐內(nèi)壓力抽至-0.1 MPa后停止抽真空，然后通入氨氣，當(dāng)爐內(nèi)的壓力達(dá)到0.1 MPa時(shí)，打開(kāi)排氣閥，并保持爐內(nèi)壓力為0.1 MPa不變。試驗(yàn)工藝參數(shù)如表2，其中A組為相同滲氮時(shí)間、相同氨分解率、相同抽真空頻率條件下滲氮溫度對(duì)周期式抽真空氣體滲氮試樣滲氮層組織的影響；B組為相同滲氮溫度、相同氨分解率、相同抽真空頻率條件下滲氮時(shí)間對(duì)周期式抽真空氣體滲氮試樣滲氮層組織的影響；C組為相同滲氮滲氮溫度、相同滲氮時(shí)間、相同抽真空頻率條件下氨分解率對(duì)周期式抽真空氣體滲氮試樣滲層組織的影響；D組為在相同滲氮溫度、滲氮時(shí)間、相同氨分解率條件下抽真空頻率對(duì)周期式抽真空氣體滲氮試樣滲氮層組織的影響。

2　試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)不同滲氮工藝處理后的試樣，用HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度計(jì)測(cè)量硬度，用DMI500M型萊卡顯微鏡和LEO1530型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察滲氮層金相組織，結(jié)果如表3所示。

表2　周期式抽真空氣體滲氮試驗(yàn)工藝

表3　周期式抽真空氣體滲氮試驗(yàn)結(jié)果

2.1A組試驗(yàn)結(jié)果

由表3中的A組得知，在其他工藝因素不變的條件下，周期式抽真空氣體滲氮試樣的滲氮層表面硬度隨滲氮溫度的增加先升高而后降低，滲氮層厚度是隨著滲氮溫度的增加而增加。

圖2　H13鋼在不同溫度下周期式抽真空氣體滲氮的滲層組織

圖2為H13鋼經(jīng)不同溫度周期式抽真空氣體滲氮的滲氮層金相組織。其中圖2（a）為經(jīng)480℃周期式抽真空氣體滲氮試樣的滲氮層金相組織，由圖可見(jiàn)，滲氮層表面未形成化合物層，只有厚度為0.050 mm的擴(kuò)散層，中心基體為回火馬氏體。圖2（b）為經(jīng)540℃周期式抽真空氣體滲氮試樣的滲氮層金相組織，由圖可見(jiàn)，試樣滲氮層表層有約0.005 mm厚的化合物層，化合物層里面為厚度約0.140 mm的擴(kuò)散層，靠擴(kuò)散層的化合物層中有少量的條狀氮化物向擴(kuò)散層生長(zhǎng)。圖2（c）圖為經(jīng)600℃周期式抽真空氣體滲氮試樣的氮滲層金相組織，由圖看見(jiàn)，試樣滲氮層表層為約0.010 mm厚的化合物層，化合物層里面為厚度約0.310 mm的擴(kuò)散層，有氮化物沿晶界生長(zhǎng)。

2.2B組試驗(yàn)結(jié)果

由表3中的B組得知，在其他工藝因素不變的條件下，周期式抽真空氣體滲氮試樣的滲氮層表層硬度和滲氮層厚度隨著滲氮時(shí)間增加而增加。如滲氮時(shí)間為5 h的試樣表面硬度最高約997 HV0.3，滲氮層厚度為0.114 mm；滲氮時(shí)間為15 h時(shí)，其硬度可達(dá)1 056 HV0.3，滲氮層厚度為 0.190 mm；滲氮時(shí)間為25 h的試樣表面硬度為1 100 HV0.3，滲氮層厚度為0.224 mm。在實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，繼續(xù)延長(zhǎng)滲氮時(shí)間對(duì)硬度表面硬度的影響很小。

圖3為H13鋼經(jīng)不同時(shí)間周期式抽真空氣體滲氮的試樣的金相組織。圖3（a）為經(jīng)5 h周期式抽真空氣體滲氮試樣的滲氮層金相組織，如圖所示，滲氮層最表層為約0.004 mm的致密化合物層，次表層為少量向擴(kuò)散層生長(zhǎng)的針狀氮化物，最里層為厚度約0.110 mm的擴(kuò)散層；圖 3（b）為經(jīng)10h周期式抽真空氣體滲氮試樣的滲層金相組織，如圖所示，滲氮層最表層為約0.005 mm均勻致密的化合物層，次表層為少量向擴(kuò)散層生長(zhǎng)的針狀和少量長(zhǎng)度較短細(xì)小的脈狀氮化物，里層為厚度約0.140 mm的擴(kuò)散層；圖3（c）為經(jīng)15 h周期式抽真空氣體滲氮試樣的滲氮層金相組織，如圖所示，滲氮層最表層為約0.010 mm的致密化合物層，次外層出現(xiàn)了長(zhǎng)度約0.030 mm的脈狀氮化物，最里面為厚度約0.180 mm的擴(kuò)散層；圖3（d）為經(jīng)20 h周期式抽真空氣體滲氮試樣的滲氮層金相組織，如圖所示，滲氮層表層為約0.012 mm的化合物層，次表層出現(xiàn)較粗大的脈狀氮化物，里層為厚度約0.200 mm的擴(kuò)散層；圖3 （e）為經(jīng)25 h周期式抽真空氣體滲氮試樣的滲氮層金相組織，如圖所示，滲氮層表層為約0.014 mm的化合物層，次表層出現(xiàn)粗大的脈狀氮化物，里層為厚度約0.210 mm的擴(kuò)散層，擴(kuò)散層的基體組織為含氮的針狀馬氏體。

圖3　H13鋼在不同滲氮時(shí)間條件下周期式抽真空氣體滲氮的滲層金相組織

2.3C組試驗(yàn)結(jié)果

由表3C組可知，在其它因素不變的情況下，周期式抽真空氣體滲氮試樣的滲氮層表層硬度和滲氮層厚度隨著氨分解率增加而逐漸降低。

圖4為H13鋼經(jīng)不同氨分解率周期式抽真空氣體滲氮試樣的滲氮層金相組織。圖4（a）是氨分解率為35%的滲氮層金相組織，如圖所示，滲氮層表層為約0.008 mm厚的均勻致密白色化合物層，次外層為向擴(kuò)散層生長(zhǎng)的針狀氮化物，里層為厚度約0.150 mm的擴(kuò)散層，在靠近化合物層的擴(kuò)散層分布有少量脈狀氮化物，擴(kuò)散層的基體組織為含氮針狀馬氏體；圖4（b）為氨分解率48%的滲氮層金相組織，如圖所示，滲氮層表層為約0.006 mm厚的化合物層，化合物層厚薄不均勻，次外層為有脈狀氮化物分布的擴(kuò)散層，里層為擴(kuò)散層，擴(kuò)散層厚度約0.120 mm；圖4（c）為氨分解率65%的滲氮層金相組織，如圖所示，滲層表層為約0.002 mm厚的化合物層，化合物層厚度均勻，里層為厚度約0.090 mm的擴(kuò)散層。

圖4　H13鋼在不同氨分解率條件下周期式抽真空氣體滲氮滲氮層組織

2.4D組試驗(yàn)結(jié)果

如表3中的D組結(jié)果可知，在其它因素不變的情況下，周期式抽真空氣體滲氮試樣的滲氮層表層硬度和滲氮層厚度隨著抽真空頻率增加而增加。

圖5　H13鋼經(jīng)不同工藝滲氮層的SEM圖像

由于經(jīng)周期式抽真空氣體滲氮的試樣滲氮層組織差別不大，所以選擇其中一組試樣與常規(guī)氣體滲氮試樣進(jìn)行滲氮層組織的比對(duì)。圖5（a）、圖5（b）分別為在實(shí)驗(yàn)條件下常規(guī)氣體滲氮和周期式抽真空頻率為1次/h氣體滲氮的H13鋼滲層SEM圖像。圖5（a）為經(jīng)常規(guī)氣體滲氮試樣的SEM圖像，由圖可見(jiàn)，滲氮層最表層為約0.005 mm的致密化合物層，次表層為脈狀氮化物，里層為擴(kuò)散層；圖5 （b）為經(jīng)頻率1次/h周期式抽真空氣體滲氮試樣的SEM圖像，由圖可知，滲氮層最表層為約0.008 mm均勻致密化合物層，次表層為向擴(kuò)散層生長(zhǎng)的針狀和脈狀氮化物，里面為擴(kuò)散層，擴(kuò)散層基體為針狀馬氏體。

3　結(jié)論

本文研究了滲氮溫度、滲氮時(shí)間、氨分解率和抽真空頻率等因素對(duì)H13鋼在周期式抽真空氣體滲氮的滲氮層硬度、滲氮層組織的影響。結(jié)果表明，在其他因素不變的條件下，滲氮層厚度隨滲氮溫度增加而增加；滲氮層表面硬度和滲氮層厚度隨滲氮時(shí)間增加而增加；滲氮層表面硬度和滲氮層厚度隨氨分解率增加而降低；滲氮層表面硬度和滲氮層厚度隨抽真空頻率增加而增加。

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冼酷元（1974-），男，廣東羅定人，助理工程師。長(zhǎng)期從事熱處理工藝生產(chǎn)、技術(shù)研究和企業(yè)管理。Email：zfk8331@126.com