4Cr2MoWVNi钢离子渗氮工艺研究_刘安翔

图 1 自制热磨损实验机结构示意图
3 试验结果 311 不同渗氮温度下的渗氮层深及硬度分布
本次实验中, 对 4Cr2MoWVNi 钢 采用 520 e 和 540 e 进行离子氮化的 处理, 在相 同时间下, 实验得到了不同温度的两组试样的硬度, 如图 2 所示。
通过以 上三 组试 样硬 度 数据 的比 较发 现, 18h 和 21h 渗 氮 在 540 e 的 硬 度 和渗 氮 层深 与 520 e 相比基本没有变化, 只有 15h 渗氮时 540 e 的硬度和渗氮层深普遍比 520 e 的略高。说明提
图 3 4Cr2MoWVNi 钢离子氮化硬度分布
313 不同渗氮工艺下的渗氮层磨损性能 从图 4 ( a) 可以看出累 计磨损量和磨损时
间之间的关系, 未氮化试样的关系比较稳定, 呈 一条直线; 氮化试样则呈抛物线状, 在初始磨损 时试样的磨损量比较小, 在 37min 内呈直线, 但
其斜率明显小于未氮化试样, 原因是化合物层和 扩散层的耐磨性较好, 而当磨到一定时间后 ( 大 约 40min) 磨损量开始趋向恒定, 斜率与未氮化 试样接近, 表明氮化层已被磨去, 磨损规律已与 未氮化试样相同。而在 37min 以内时间里, 保有
图 4 ( c) 表明了在不同渗氮时间下, 4# 、
图 4 4Cr2MoWVNi 钢累计磨损量和 磨损时间之 间的关系图
5# 和 6# 试样的磨损量和磨损时间之间的关系图。 通过比 较, 三个试样 中, 5# 试样 18h 离 子氮化 的处理是最理想的, 其耐磨性最好, 每一次的磨 损量最小。
4 分析与讨论 411 渗氮温度对渗氮层深、硬度及耐磨性的影响
离子氮化可以增加钢的硬度值, 在一定温度 范围内, 随着温度的提高, 氮化反应加剧, 离子 扩散加速, 化合物层增加很快, 扩散层也显著增 加, 硬度提高。温度直接影响钢表面渗入原子的 吸附, 以及向基体中扩散的能力, 温度过低, 吸 附强度小, 渗层浅, 硬度不高。温度过高, 如超 过 Fe- N 二元状态图中的共析温度 590 e 时, 在 钢表面发生 C相变 ( AyC) , 也会导致硬度的下 降[ 2,3] 。
第1期
刘安翔等: 4Cr2MoWVNi 钢离子渗氮工艺研究
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渗氮层的试样的磨损量是未氮化试样的 10% ~ 23% , 平均 18% 。
3# 试 样 ( 520 e ) 的 磨损 量 明 显 小 于 4# 、 5# 和 6# 试 样 ( 540 e ) , 而 6# 试 样 在 第 一 次 12min 磨损量也明显高于其它氮化试样, 出现崩 块现象, 这说明 6# 试样比 4# 、5# 样脆性高, 如 图 4 ( a) 和 ( b) 所示。总之, 3# 试样耐磨性明 显优于 4# 、5# 和 6# 试样, 说明 520 e 的氮化效 果优于 540 e 。
响 在渗氮温度和氨流量相同的条件下, 渗氮层
深度和 E相体积分数随渗氮时间的延长而增加, 在一定时间后, 渗氮层深度增加缓慢, 相组成几 乎不再随渗氮时间变化[ 8] 。
渗氮 层 深与 渗 氮 时 间 的 关 系呈 抛 物 线 关 系[ 9,10] 。图 3 和 6 表明随处理时间的增加, 表面 硬度、渗层深度均有增加的趋势, 但如进一步延 长保温时间超过 18h 以后, 硬度和深度的增加趋 于平缓, 其原因是随时间增加, 在表面形成的化 合物相 逐渐增多, 对 氮原子扩散的 阻碍作用加 强, 使渗层向内扩展的速度减慢; 同时由于表面 化合物的增多, 组织粗化, 使硬度有下 降的趋 势[ 10] 。总之, 由以上 结果可以 推断: 虽 然由于 实验条件的限制, 21h 以上的处理并 没有进行, 但 21h 以上的处理易导致表面产生疏松层, 随着 时间温度的进一步提高, 疏松层厚度和疏松程度 将增加, 硬度会有所下降[ 11] 。
第29卷 第 1 期 2007 年1月
上海金属 SHANGHAI METALS
Vol129, No11 29
January, 2 0 0 7
4Cr2MoWVNi 钢离子渗氮工艺研究
刘安翔
( 上海爱知锻造有限公司, 上海 200433)
=摘要> 通过对 4Cr2MoWVNi 钢进行离子渗氮工艺处理, 研究了温度、时间对渗层组 织、耐磨性能的影响。结果表明, 采用合适的处理温度和时间, 可以得到最佳的渗氮层深及 表面硬度, 在保证一定的渗氮层深条件下, 4Cr2MoWVNi 钢的热耐磨性能明显提高, 使模具 使用寿命大幅度提高。
对承受加热- 冷却热循环的模具, 可尽量考 虑采用不形成化合物而以扩散层为主的处理方法 以达到延长其寿命的效果[ 3] 。通过金相观察, 发 现 4Cr2MoWVNi 钢 1# 、2# 、3# 、4# 样在 500 倍 下未见明显白亮层及脉状的氮化物组织。如图 5 所示, 3# 样有少量脉状的氮化物组织, 5# 样在 圆周的局部有白亮层及少量脉状的氮化物组织, 6# 样沿其圆周表面 有稍微均匀的白亮层及脉状 的氮化物组织。
~ 560 e 为宜。超过 580 e 渗氮, 扩散层中的氮化 物便开始集聚 长大, 弥散度下 降, 渗层 硬度降 低[ 2] 。另外, 考虑试样随模具一起进行处理, 为
避免严重影响模具渗氮质量, 温度和时间未做大 的调整。两种试样离子渗氮工艺相同, 保温温度 分两组: 520 e 和 540 e , 保温时间分三组: 15h、 18h、21h, 按正交试验法共六组, 见表 1。
由图 5 可以看出, 氮化后的化合物层呈白 色, 因放大倍数较低, 以及金相腐蚀的问题, 无 法看清其全貌, 其厚度大约为 215~ 3Lm。随着 温度的提高, 化合物层的厚度也增加。提高渗氮 温度, 有利于化合物层中 E相的增多, 而不利于 Cc相的获得[ 3] 。化合物层的里面是扩散层, 其组 织为 A相+ Cc相+ 少量珠光体。
通过硬度和磨损试验可以知道, 试样的硬度 对磨损性能的影响不明显, 也可能是试验为了避 免损坏模具, 温度与时间的选取范围窄, 由于实 验条件的限制, 硬度相差不大所致。此外, 渗层 深度并非越深越好, 应尽量避免或减少渗层表面 白色层的出现。模具的渗层深度 [ 013mm 为宜, 否则会使渗层变脆并诱发热疲劳[ 7] 。从磨损试验 结果也可看出, 6# 试样并非最好。 412 渗氮时间对渗氮层深、硬度及耐磨性的影
图 6 540 e 不同渗氮时间的金相图 ( 4% 硝酸酒精浸蚀) 100 @
显微摄相机拍摄到了 3# 、4# 、5# 、6# 样金 相组织都包含了白亮层、扩散层和基体组织, 如 图 5 和 6 所示。由图 5 可知, 照片中白亮层即为 化合物层, 主要由 E 相+ C'相组成, 随着时间的 增长, 白亮层逐渐变厚, 扩散层在图中很明显, 基本上由 A相+ C'相+ Fe3C 组成; 由图 6 可以看
作者简介: 刘安翔, 高级工程师, 硕士学位, 主要从事金属材料与 热加工的生产 及应用研究。联系地 址: 上海市翔 殷路 1059 弄 10 号, 邮编 200433, 电话: 021-65516406, E-mail: lax68@ 1631 com
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上海金属
第 29 卷
650 e , 动态载荷为 117kN, 转速为 335rPmin, 磨 损接触时间为 1s, 见图 1。
时, 15h、18h 和 21h 的硬度值曲线。由图可知, 渗氮 15h 的 钢, 其表 面的硬度 值明显低 于渗氮 18h 和 21h 的钢, 而渗氮 18h 和 21h 钢的表面硬 度接近, 这说明 18h 是 4Cr2MoWVNi 钢比较合理 的渗氮保温时间。
(a) 520e
( b) 540e
表 1 各组试样离子渗氮参数
试样编号
温度Pe 保温时间Ph
1#
2#
3#
4#
5#
6#
520 520 520 540 540 540 15 18 21 15 18 21
试样硬度测定在 MHV2000 型数显显微硬度 机上进行, 载荷 500g, 在 Neophot 32 型金相显微 镜上做金相分析。在自行研制改造的非标磨损实 验机上 进行热 冲击 磨损 试验, 加热 温度 550~
=关键词> 4Cr2MoWVNi 模具钢 离子渗氮 耐磨性 模具使用寿命
THE PROCESS OF IONIC NITRIDING ON 4Cr2MoWVNi DIE STEELS
Liu Anxiang ( Shanghai Aichi Forging Co. , Ltd. )
=Abstract> The effects of the nitriding temperature and t ime on the microstructure and the
=Key Words> 4Cr2MoWVNi Die Steels, Ionic Nitriding, Wear Resistance, Service Life of
Die
1 引言 4Cr2MoWVNi 钢是一种新型热作模具钢, 具
有良好的热稳定性、强韧性和耐磨性能[ 1] 。众所 周知, 离子渗氮有利 于提高钢铁材 料的耐磨性 能, 本试验采用离子渗氮使该材料既有优良的基 体性能, 又有较高的表面耐磨性, 模具的使用寿 命得到进一步提高。 2 实验材料及方法
( a) 15h
( b) 18h
图 2 温度对表面硬度和渗层深度的影响
( c) 21h
高渗氮温度, 渗氮速度加快, 在一定的时间内渗 层深度加厚, 硬度升高, 但在 18h 后对硬度和渗 层深基本没有影响。 312 不同渗氮时间下的渗氮层深及硬度分布
图 3 分别为 4Cr2MoWVNi 钢在 520 e 和 540 e
从 500 e 开始, 温 度愈高, 原子扩散 愈快, 获得的渗层愈深, 表面高硬度弥散分布氮化合物 愈多, 表面硬度也越高; 温度继续升高, 渗层继 续加深, 但表面硬度的变化趋于平缓, 这是由于 当表面氮原子浓度增加到一定程度后, 表面弥散 的化合物浓度达到饱和, 联成条状; 当温度超过 560 e 后, 易在表面形成化合物层 ( 白亮层) , 弥 散作用减弱, 硬度不再增加[ 4] 。一般来说, 渗氮 温度不宜超过 580 e , 渗氮温度过高会促使脉状 组织的形成, 造成组织长大, 出现明显网状氮化 物痕迹, 同时渗层疏松, 导致脆性增大[ 5] 。并将