H13模具钢回火工艺对氮化层的影响

摘要: 利用金相显微镜、扫描电镜和X射线衍射仪对H13模具的淬火+不同回火工艺进行了研究。

对钢材进行同种气体氮化后的氮化层组织，用显微硬度计测试氮化层断面的硬度，分析回火工艺对氮化层的影响。

结果表明，经两次350 ℃调质处理后再氮化后，氮化层较致密，硬度变化较慢，但氮化层厚度较600 ℃调质处理后的氮化层厚度要低。两次。 试样淬火+600℃两次回火，化合物层下出现微裂纹，硬度变化较大； 而在淬火状态下直接渗氮的试样未能获得综合性能良好的渗碳层。

关键词：H13模具钢； 回火； 氮化层

介绍

H13钢是重要的热作模具钢，具有优良的热强度、塑韧性、抗氧化性和抗热疲劳性能。 为了提高模具的表面硬度、耐腐蚀性、抗粘连等性能，通常需要进行表面氮化处理，以有效提高模具的表面强度，同时保持芯部原有的强度和韧性。模具。

为了使氮化后模具的心部和表面性能得到良好的匹配，氮化前应对模具进行适当的热处理，一般为淬火+两次高温回火。 但高温回火易造成热作模具钢的热磨损和崩塌失效； 但采用350℃左右的中低温回火后，芯部具有更好的韧性和热疲劳性能，同时不会出现蓝脆现象。 现象。

同类型模具经580℃高温回火与中低温350℃回火的使用寿命相当。 但高温回火的模具在使用过程中早期失效，而中低温回火的模具残留物含量较高。 奥氏体对其韧性有一定的提高作用。

但中低温回火是否适合作为渗氮前的热处理，目前还缺乏系统的研究，这将直接影响实际的生产成本和生产效率。 为此，作者对H13钢渗氮层的组织和硬度进行了三种不同的热处理（主要是不同的回火工艺），分别是淬火、淬火+两次中低温回火、淬火+两次氮化前进行高温回火。 本研究分析了回火工艺对氮化层的影响，为实际生产工艺的制定提供参考。

1 样品制备及测试方法

1.1 样品制备

试验材料为退火H13钢，购自上海元钢公司。 其名义化学成分（质量分数/%）为0.32~

0.45C、0.8～1.2Si、0.2～0.5Mn、4.75～5.5Cr、1.1～1.75Mo、0.8～1.2V、≤0.03P、≤0.03S。

通过线切割将试件加工成10mm×10mm×40mm。 在1030℃盐浴中保持10分钟并油淬冷却后，使用铸铁在箱式电炉中进行两次350℃×2h和600℃×2h的回火以铁屑、木炭、沙子（质量比2:2:1的混合物）作为抗剥落剂，将样品埋入铁箱中加热。 试样淬火硬度为57HRC，350℃和600℃回火后硬度分别为53.9HRC和48.0HRC。

氮化前，将试样表面用1000#金相砂纸打磨，酸洗，水洗，无水乙醇清洗，干燥。 氮化工艺采用气体氮化，氮化介质为氨，流量为500～1000L·h-1，炉内压力为1.3～1.6kPa。 其他工艺参数如图1所示。

1.2 测试方法

将氮化后的样品用线切割成10mm×10mm×10mm的4段，分别进行不同的测试。 将样品在饱和苦味酸醇溶液中镶嵌、抛光和蚀刻后，使用蔡司光学显微镜和FEI QUAN TA-200环境扫描电子显微镜（SEM）分析显微组织并测量氮化层厚度； 采用能谱仪（EDS）分析氮化层的成分； 采用SIEM ENSD5000 X射线衍射仪（XRD）分析氮化层表面物相组成，铜靶，扫描角度10°~90°，管电压35 kV，管电流30 mA，时间0.2 s，采样间隔0.02秒； 采用401MVA显微硬度计测试渗透层断面从外到内6个不同点的显微硬度，载荷0.98N，载荷10s。

2 测试结果与讨论

2.1 微观结构

从图2可以看出，各样品的显微组织由中心的回火马氏体和表层的氮化物组成。 淬火+氮化样品的氮化层最薄，仅为30～40μm。 淬火+350℃回火+氮化试样的氮化层厚度为50～60μm，高于前者，但低于淬火试样。 +600℃回火+氮化样品（70~80μm）。 文献[4]表明，H13钢氮化层中形成合金氮化物的机理主要是通过含有合金元素的碳化物与渗入的氮原子之间的相互作用在碳化物界面上形成。 氮化前回火温度越高，H13钢的回火温度越高。 钢中含有合金元素的碳化物越多，氮化层就越厚。

从图3可以看出，3个样品氮化层中化合物层的厚度约为1、2、5μm。 淬火+氮化试样的化合物层组织呈粗条状，且较为疏松； 淬火+350℃二次回火+氮化试样的化合物层组织较为细小； 淬火+600℃两次回火+氮化试验的化合物层组织 化合物层也较致密，但与扩散层交界处出现裂纹，会导致使用过程中化合物层容易脱落，增加模具表面粗糙度大，加速磨损，造成早期失效。 氮化前回火温度越高，H13钢中以碳化物形式析出的合金元素越多，铁素体中的合金元素越少。 ε相的厚度随着铁素体中合金元素含量的增加而减小[6 -8]，因此回火温度越高，表面化合物层的厚度越大。

2.2 硬度分布

从图4可以看出，3个氮化样品的表面硬度远高于心部硬度。 距外表面约20μm处的硬度分别为840、800和870HV（换算为洛氏硬度65）。 ,64, 66 HRC)。 从表层到基体硬度逐渐降低。 淬火+氮化和淬火+高温回火+氮化试样的硬度下降较快。 淬火+中温回火+氮化样品的硬度变化相对平缓。 这样可以保证模具钢材在后续使用过程中不会因硬度突然变化而导致过早开裂和失效。

从表1和图5可以看出，两个样品的氮含量从表面到中心逐渐减小，即离表面越远，氮含量越少。 氮含量越高，生成的高硬度氮化物就越多，这就是氮化后样品的硬度从表层到芯部变化的原因。

表1 不同样品不同微区的氮含量（质量分数）

宝钢H13