退氮處理對SDHS2模具鋼滲氮層組織與性能的影響

計 杰 祝魯俠 黎軍頑 吳曉春

(1.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室，上海 200072；2.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072)

熱沖壓模具表面進行滲氮處理后，可以有效提高其表面硬度、耐磨性和耐蝕性等[1]，由于經(jīng)過滲氮處理后鋼表面處于壓應(yīng)力狀態(tài)，工件的抗熱疲勞性能也十分優(yōu)異[2-3]。但是，由于經(jīng)過長期的服役，模具磨損嚴(yán)重會導(dǎo)致生產(chǎn)的零件尺寸嚴(yán)重超差，此時只能選擇更換模具或者對模具進行二次加工[4-5]。為了節(jié)約時間和成本，二次加工技術(shù)已成為目前熱沖壓領(lǐng)域的研究熱點。

二次加工技術(shù)就是將受損的模具鑲塊進行二次加工。由于熱沖壓模具鋼表面有氮化層，其硬度非常高，加大了加工難度。為了降低滲層硬度，李耀華等[6]和陳云龍等[7]分別對合金鋼、H13鋼滲層進行退氮處理，結(jié)果表明，退氮處理后，試驗鋼滲氮層的硬度均有不同程度的下降;退氮處理的時間、溫度和真空度對滲氮層的組織和性能均有影響，退氮溫度越高，滲層硬度越低；提高真空度對降低滲層硬度有利。以往的退氮處理雖然在降低滲層硬度上達到預(yù)期效果，但是由于過高的退氮溫度和較長的保溫時間，導(dǎo)致基體的硬度也下降很多，無法滿足二次服役的性能要求，甚至導(dǎo)致模具報廢[8]。所以在保證基體硬度變化不大的情況下，將滲層硬度降到滿足二次加工要求，是未來該領(lǐng)域的又一發(fā)展方向。本文旨在探索保證基體硬度滿足要求的條件下，盡可能地降低滲氮層硬度的工藝。

1 試驗材料與方法

試驗材料為上海大學(xué)先進工模具鋼及應(yīng)用技術(shù)研發(fā)團隊自行研發(fā)的SDHS2模具鋼，其化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)為：0.38～0.48 C，0.2～0.4 Si，0.4～0.7 Mn，2.5～5.0 Cr，0，5～1.0 V，≤0.015 P，≤0.003 S。SDHS2鋼的熱處理工藝為：1 030 ℃氣淬，550 ℃回火兩次，硬度控制在53～55 HRC。試樣尺寸為12 mm×12 mm×5 mm，試樣表面經(jīng)預(yù)磨、拋光和清洗除油，保證滲氮面的平整光潔。滲氮試驗和退氮試驗均在LDMC-75F型脈沖電源輝光離子滲氮爐中進行，離子滲氮工藝為：溫度530 ℃，時間8 h，壓力350 Pa。

在離子滲氮爐中分別采用不同溫度和時間對滲氮試樣進行退氮處理。退氮溫度為530、550 ℃，退氮時間分別為8、12、16 h，爐內(nèi)保持較高的真空度。

處理完畢后利用Nikon LV150型倒立式光學(xué)顯微鏡觀察并測定試樣的滲氮層組織及深度；使用MH-3型顯微硬度計測定滲氮層的硬度梯度，在同一深度不同位置測3個點，取平均值作為該深度的顯微硬度值；按照GB/T 11354—2005采用梯式硬度測法，即從試樣表面測至比基體維氏硬度值高50 HV 處的垂直距離作為滲氮層厚度。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 滲氮層深及硬度分布

圖1是SDHS2模具鋼滲氮層的顯微組織。由于白亮層的硬度高且脆性大，在制備金相試樣時采用較軟的銅片保護(見圖1(a))。從圖1中可以看出，滲層深度大于200 μm，表面白亮層深度1～3 μm，且具有完好的連續(xù)性；擴散層為含氮索氏體，并有較細的脈狀氮化物。圖2是滲氮試樣的硬度梯度曲線。從圖2中可以看出，滲層深度在230 μm左右，鋼的基體硬度在650 HV0.3左右，在距離表面30 μm處的硬度達到了約1 113.7 HV0.3。

圖1 SDHS2模具鋼滲氮層的顯微組織Fig.1 Microstructures of nitrided layer on SDHS2 steel

2.2 退氮溫度和時間對滲層深及硬度的影響

圖3是SDHS2模具鋼經(jīng)530 ℃退氮處理不同時間后滲氮層的顯微組織?？梢钥闯觯说幚砗?，滲氮層組織仍然為保留馬氏體位向的含氮索氏體,隨著退氮時間的延長，滲層深度也隨之增加。在退氮時間為8、12 h時，滲層表面仍有一層連續(xù)的白亮層，說明還未完全擴散分解；當(dāng)退氮時間延長至16h時，白亮層消失，這是由于經(jīng)過退氮處理，氮原子擴散，合金氮化物與基體的共格關(guān)系被破壞，ε相白亮層調(diào)幅分解為亞穩(wěn)相α″，最后進一步分解導(dǎo)致白亮層消失。

圖2 SDHS2鋼滲氮層的硬度梯度Fig.2 Hardness gradient in the nitrided layer of SDHS2 steel

圖4是SDHS2模具鋼經(jīng)530 ℃退氮處理8、12和16 h后的硬度梯度曲線?？梢钥闯觯说幚砗?，試樣表層硬度下降明顯，相比原始滲氮試樣，滲氮層的硬度梯度更加平緩。距離表面30、60 μm處，隨著退氮時間的延長，滲層的硬度逐漸提高，這是由于滲氮試樣的表面氮濃度高，退氮過程中，氮原子不僅向外擴散，且伴隨著向內(nèi)擴散，表層硬度下降的同時，滲層內(nèi)部硬度增加。但是隨著基體硬度的降低，退氮處理后試樣表層的硬度不會超過原始滲氮層的硬度。經(jīng)過530 ℃×8 h退氮處理的鋼的表面硬度為780 HV0.3左右。

圖3 SDHS2模具鋼經(jīng)530 ℃退氮處理不同時間后滲氮層的顯微組織Fig.3 Microstructures of nitrided layer on SDHS2 steel denitrided at 530 ℃ for different times

圖4 SDHS2模具鋼經(jīng)530 ℃退氮處理不同時間后的硬度梯度分布Fig.4 Hardness gradients in the SDHS2 steels denitrided at 530 ℃ for different times

圖5是SDHS2模具鋼經(jīng)550 ℃退氮處理不同時間后滲氮層的顯微組織?？梢钥闯?，退氮處理后，滲氮層組織仍然為保留馬氏體位向的含氮索氏體。從圖5中可以看出，隨著滲氮時間的延長，滲層深度也隨之增加，在退氮時間為8 h時，滲層表面還有很薄的白亮層，退氮12 h時后，白亮層消失，說明隨著退氮溫度的升高，氮原子的擴散速度加快，促進了白亮層的擴散和分解。

圖6是SDHS2模具鋼經(jīng)550 ℃退氮處理8、12和16 h后的硬度梯度曲線?？梢钥闯?，退氮處理后，試樣表層硬度明顯下降。隨著退氮時間的延長，滲層硬度下降的速度要快于530 ℃退氮的試樣。這是由于隨著退氮溫度的升高，氮原子活性增加，擴散速度加快，氮原子擴散之后，表層固溶強化效果降低，從而表現(xiàn)為滲層硬度降低。經(jīng)550 ℃×8 h退氮處理后滲層硬度降低最多，其表面硬度為750 HV0.3左右。

圖5 SDHS2模具鋼經(jīng)550 ℃退氮處理不同時間后滲氮層的顯微組織Fig.5 Microstructures of nitrided layer on SDHS2 steel denitrided at 550 ℃ for different times

圖6 SDHS2模具鋼經(jīng)550 ℃退氮處理不同時間后的硬度梯度Fig.6 Hardness gradients in the SDHS2 steels denitrided at 550 ℃ for different times

3 結(jié)論

(1)SDHS2模具鋼離子滲氮層的深度約230 μm，白亮層厚度為1～3 μm，其表面硬度達到了約1 100 HV0.3。

(2)經(jīng)退氮處理后，試樣滲層硬度明顯降低。退氮溫度和壓力相同，退氮時間越長，滲層硬度越高。提高退氮溫度能加速氮原子向鋼內(nèi)的擴散，從而大幅度降低基體硬度。

(3)SDHS2模具鋼退氮處理的最佳工藝為：溫度530 ℃、時間8 h。在保證基體硬度滿足要求的條件下，退氮處理可使表面硬度由處理前的1 000 HV0.3以上降低至780 HV0.3左右。