Cr12MoV钢表面化学热处理的研究进展★

赵作福，周影，齐锦刚，王建中（辽宁工业大学 材料科学与工程学院，辽宁 锦州 121001）

设计与研究

Cr12MoV钢表面化学热处理的研究进展★

赵作福，周影，齐锦刚，王建中
（辽宁工业大学 材料科学与工程学院，辽宁 锦州 121001）

Cr12MoV钢是国内使用最广泛的高碳高铬莱氏体型冷作模具钢，优良的表面处理工艺是保证其高强度高寿命的前提，本文概述了Cr12MoV钢的渗氮、渗硼、渗钒表面化学热处理工艺，以及不同工艺处理下Cr12MoV钢的微观组织结构和性能的改变，阐述了Cr12MoV钢化学热处理的研究现状及发展趋势。

Cr12MoV钢； 表面化学热处理； 微观组织结构； 性能

0　引言

现代工业的迅猛发展对模具钢的品质提出了更高的要求。Cr12M oV钢因其淬透性好、硬度高且耐磨、热处理变形小等特点，已广泛应用于冶金、机械制造等行业的模具生产。但由于Cr12MoV钢的脆性较大且成分偏析严重，常常导致模具的早期失效[1-3]。化学热处理可以大幅度提高Cr12M oV钢工件的使用性能，延长其使用寿命，目前已获得较为广泛的应用[4]。本文综述了Cr12MoV冷作模具钢渗氮[5]、渗硼[6]和渗矾[7]等表面化学热处理技术的研究进展及其发展前景。

1　Cr12MoV钢渗氮处理工艺

渗氮处理，即在一定温度区间内，在某种介质中将氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺，通过渗氮处理可以有效提高工件表面的硬度、耐磨性以及疲劳强度，同时提高工件在腐蚀介质中工作的耐蚀性[8]。王传雅等人[9]研究了渗氮过程中温转变对Cr12M oV钢显微组织、扩氮层的显微硬度和心部力学性能的影响，发现中温转变复合强韧化处理，可以有效细化Cr12MoV钢的显微组织，提高其显微硬度等力学性能，达到提高模具使用寿命延长的目的。

早在1923年，德国人A.Fry首次对气体渗氮进行了研究并取得了成功，但早期的气体渗氮工艺因周期长、能耗大和成本高等原因很少在冷作模具钢上应用[10]。国内学者佟晓辉等[11]曾对9种冷作模具钢进行了520～540 ℃的气体渗氮，发现多数冷作模具钢的气体渗层深度D与渗氮时间T呈线性关系，即，

D=[6T（h）+64]×10-3±0.025mm （1-1）

而且尤以Cr12MoV钢气体渗氮后的耐磨性最佳，但这种常规气体渗氮多达50 h的工艺时间严重影响了生产效率及产品质量。随后，孟力凯[12]等人在此基础上，采用复合气体渗氮工艺，可缩短气体渗氮周期1/3，但尚不能满足工业化生产要求，且产品品质存在硬度不足、表面腐蚀和裂纹等缺陷。

为克服单一气体渗氮的不足，随后，Cr12MoV钢的氮碳共渗[13]工艺研究逐渐展开，且向着多组元复合强化方向发展，如S、C、N复合共渗[14]、稀土催渗[15]和等离子体氮碳共渗工艺[16]等。其中比较有代表性的工作包括：Wu[17]等人在复合共渗的研究中发现，S可使Cr12MoV工件渗层表面形成FeS层，使得工件的耐磨性显著提高，然而单纯耐磨性的提高在模具钢的生产应用中还远远不够。随后，王振宁等[18]对Cr12MoV钢采用Ti催渗氮碳共渗局部超强化复合处理，发现Cr12MoV钢的耐磨性、表面硬度和韧性均有显著提高，这主要与表面形成的TiN化合物有关。

1984年，李少君等[19]在500 - 560 ℃对Cr12MoV钢进行固体渗氮，其硬度稍有提高，渗层深度约为8 - 15 μm，渗氮后零件的尺寸稍有变化，模具的疲劳寿命和抗冲击性能得到显著提高。姚玲珍等[20]采用QPQ处理方法对Cr12MoV进行盐浴渗氮，其硬度能达到900-1000 HV，渗层深度达6 - 15 μm。

2000年左右，Cr12MoV钢的离子渗氮技术成为其表面化学热处理的研究热点。Pang等[21]对Cr12MoV钢进行不同温度的离子渗氮，发现在530 ℃时，渗氮层的硬度、渗层厚度等性能趋于最佳值。Li等[22]对钢表面采用介质阻挡放电技术进行离子渗氮强化，Thomas等[23]利用弧光放电进行离子渗氮，这些研究工作旨在改善普通离子渗氮生产效率低，气压较大等缺陷。国内学者赵彦辉[24]的弧光等离子放电研究结果表明，在一定温度范围内渗氮层厚度随着温度的升高而增加，在较低温度基本无化合物层，达到50 mm时，渗氮速度最快。同年，张涛等[25]采用双辉等离子体渗氮，发现温度为500 - 550 ℃时渗层深度可达150 um，渗层化合物可达9 um，并且具有较高的硬度。但等离子体渗氮因在加热过程中氢气的易燃易爆以及NH3分解不彻底，安全和环保成为专家学者们亟待解决的问题。据最新的研究[26]报道，采用等离子氮碳共渗工艺，渗层厚度可达到150 - 200 um，耐磨性提高3 - 5倍，整体渗层性能提升；若在此过程中加入稀土La，渗层整体性能得到更好提升。

真空脉冲渗氮工艺具有渗速快，无盲孔效应，渗氮层脆性极小，可以较准确的控制、调整渗氮气氛等优点[27]。在真空脉冲渗氮加热过程中，通过炉内产生对流来保证温度的均匀，从而来保证渗层深度的均匀性；现在对环保的要求很高，而在渗氮过程中的废气需要进行适当的处理，否则将污染环境[28]。2002年郭健等[29]进行了真空脉冲渗氮研究，发现对Cr12MoV冷作模具钢进行真空脉冲渗氮能进一步提高耐磨性，增加使用寿命，温度一般为510 - 520 ℃，时间8 - 12 h。渗层深0.08 - 0.12 mm，硬度在1000HV左右，显著提高Cr12MoV的性能。同时，经真空脉冲渗氮后，工件表面硬度要比一般气体渗氮硬度高，脆性小，能满足尖锐刃口的刀具与冷冲模具使用要求。2003年郭健等[27]探究真空脉冲氮碳共渗在模具中的应用，渗氮后Cr12MoV的硬度达1046 HV，渗层深度150 - 170 μm。

2　Cr12MoV钢渗硼处理工艺

渗硼是一种在高温下使硼元素渗入金属表面获得硼化合物硬质层的化学热处理技术。渗硼的工艺方法多种多样，有粉末固体法、液体法、气体法、糊膏法等，其中粉末固体渗硼因具有操作方便、使用设备简单、质量易控制等优点在生产中得到较广泛的应用[30]。但粉末固体渗硼层脆性大、容易剥落，严重影响了耐磨性，因此国内外专家学者对其改善脆性方面做出了大量的探究研究。

由于B与Fe和其他金属可生成高硬度的化合物，1984年舒士明等人[31]对Cr12MoV冷作模具钢进行粉末固体渗硼，试验参数为570℃渗硼3h，940±10℃渗硼6h炉冷至室温，其硬度为1097HV，渗层深0.053mm，与未经渗硼处理模具相比，寿命提高3-4以上。此研究虽未对其渗硼后耐磨性的影响做出研究，单此工艺的提出对Cr12MoV钢的脆性有一定的改善，此工艺的提出为今后该领域的发展奠定了基础[32]。经过几十年探索研究，2001年叶宏等人[33]对Cr12MoV钢试样进行了粉末固体渗硼-淬火复合工艺试验，确定了Cr12MoV钢固体粉末渗硼工艺参数为930℃×5h，Cr12MoV钢的渗硼层深度0.05-0.06mm，显微硬度1688HV，且有Cr12MoV钢的耐磨性得到明显提高。此研究比舒士明等人的研究硬度提高了近1/3，并对其耐磨性做出了一定的探究，但并未脆性做出相关的探究。此后有文献[34]得出的结论与上述学者不太一致：认为模具钢渗硼处理后渗硼层具有一定的脆性，严重恶化工件的耐磨性，在使用过程中渗硼层容易发生剥落，降低了模具钢的使用寿命[35-37]，对于过渡层的研究将是Cr12MoV钢渗硼工艺发展的瓶颈问题。随后，汤光平等[38]对Cr12MoV钢进行表面渗硼改性处理，得出Cr12MoV钢渗硼处理后渗硼层的脆性属剥落脆性，但并未探究如何降低工件在渗硼过程中产生的脆性。2005年张菁等人[39]结合以上两种研究，采用不同渗剂对Cr12MoV钢进行表面改性，分析了渗层表面脆性与敏感脆性，研究得出粉末渗硼的耐磨性优于膏剂渗硼试样的耐磨性，当渗硼层表层脆性敏感性增加，耐磨性呈下降趋势，经930℃×5h渗硼处理后，渗硼层的脆性属剥落脆性，渗硼层的显微硬度约在1300HV，渗硼层厚度70um，具有良好的耐磨性能。近期的研究[40]发现，在Cr12MoV钢渗硼过程中施加稀土元素，加入量最佳值的情况下一般可提高渗硼速度30%左右，改善渗层组织和性能。这是由于稀土的化学性质很强，能加速渗剂的分解，使渗速加快，促进渗硼的进行[41]。为提高渗硼层厚度和改善渗硼层组织，郝少祥等[42]在渗硼剂中加入稀土氯化物，结果发现当稀土加入量为0.3wt%时渗硼层增厚致密，其渗硼层硬度压痕如图1所示，图1（a）的脆性级别为1级，图1（b）的脆性级别为3级。对硼-稀土共渗工艺进行研究，采用正交试验方法，筛选出Cr12MoV钢硼-稀土共渗的最佳工艺为w（稀土）=0.3%，渗硼温度950℃，保温时间5h，得出渗硼时加入稀土，渗硼层增厚致密，疏松、空洞减少，前沿无明显梳齿状，渗硼层脆性由1级降至3级；经优化渗硼后，在经970℃淬火、200℃回火，渗硼层耐磨性显著提高，比仅优化渗硼的高出15倍。2008年郝少祥[43]又研究了Cr12MoV钢渗硼层中各种元素含量的变化，研究表明：Cr12MoV钢渗硼层中存在B，C，Al，Cr，Si，Fe，Mo，V，Mn等元素，其中B及C，Si，Al，Cr含量分别在表层和过渡区出现峰值，Al和Si主要存在于缺陷处和富碳区中，Fe在硼化物层含量略低于过渡层和心部而Mo几乎无变化；且得出渗硼层中没有稀土元素渗入。由此可以看出，稀土的渗入提高了渗层的韧性，降低了渗层的脆性。此研究较好的改善了Cr12MoV钢因渗硼处理后脆性较大而引起的渗层剥落等一系列问题。

图1　经不同渗硼工艺处理后的渗硼层的硬度压痕形貌[32]Fig.1 The morphology of hardness indentation of boride layer at different boronizing processes

3　Cr12MoV钢渗矾处理工艺

TD（Thermal Difusion）盐浴渗钒由于设备简单、操作方便、渗速快、渗钒层质量稳定等优点，被认为是Cr12MoV冷作模具钢的理想表面强化技术[44]。盐浴渗钒是通过工件表面形成VC覆层来实现提高Cr12MoV钢使用寿命的目的[45-47]。Gen[48]认为Cr12MoV钢渗矾处理后耐磨性的增加主要由VC覆层的性质决定。至此之后对VC覆层特性的研究成为了热点问题，但对该覆层成分分布情况的看法至今尚存在一定的争议。近期研究[49]认为钒原子浓度随覆层的生长稍微增加，而碳含量则先轻微增加达到最大值后呈递减的趋势，VC覆层横截面积的硬度的变化趋势与覆层C/V比基本一致，这一研究有利于人们进一步研究覆层的机理及性能。为了克服Cr12MoV钢因渗钒处理后获得较高硬度而引起的渗层剥落，Zou等[50]探讨了Cr12MoV钢 TD盐浴渗钒工艺，发现Cr12MoV钢渗钒后可获得约5 - 7 μm的渗层厚度，渗钒层具有极高的硬度和耐磨性。

图2　渗钒层与基体的显微组织[40]Fig.2 The microstructure of vanadiizing layer and matrix

随后，唐丽文等[51]在此基础上对Cr12MoV钢渗钒后进行淬火和回火处理，其渗层的金相组织图片及SEM图片如图2所示，从图中可以看出，在Cr12MoV钢表面形成了一层平均厚度11.4 um的钒层，渗层厚度均匀，致密性较好，并且渗层与基体间存在明显界面。此研究为目前Cr12MoV钢TD盐浴渗矾较理想的成果。

4　结语

综上所述，Cr12MoV的表面化学热处理技术发展迅猛。今后一段时间内，渗氮技术的发展将以多组元、复合强化和离子氮化为标志；渗硼工艺将日趋研究其渗层组成与控制，包括渗剂的研发等；以渗V为代表的渗金属工艺将以金属盐浴选择，渗件整体性能改善为研究热点。总之，随着科学技术的飞速发展，有污染、能耗大的传统化学热处理工艺技术必将逐渐被诸如高能束化学热处理，真空、离子化学热处理，流态床化学热处理等新工艺 、新技术、新装备所替代。

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Status and Development on Surface Chemical Heat Treatment of Cr12MoVSteel

ZHAO Zuo-fu, ZHOU Ying, QI Jin-gang, WANG Jian-zhong
(School of Material Science and Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China)

Cr12MoV is the most w idely domestically used work die steel, and this ledeburite steel has a high carbon and high chrom ium in its composition. Generally speaking, the advanced surface treating technology leads to the high strength and high life cycle. In this paper, several surface treating technologies such as nitriding, boriding and vanadinizing are summaried, and the structure and property changes of Cr12MoV treated by various program are listed and reviewed. Furthermore, the development tendency of surface treating technologies for Cr12MoV is also evaluated.

Cr12M oV steel; Surface chemical heat treatment; Microstructure; Property

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.11.001

ZHAO Zuo-fu, ZHOU Ying, QI Jin-gang, etal. Status and Development on Surface Chem ical Heat Treatment of Cr12MoV Steel[J]. The Journal of New Industrialization，2015，5（11）: 1-7.

国家自然科学基金（No. 51354001）；辽宁省高等学校创新团队项目（No.LT2013014）；辽宁省教育厅重点实验室基础研究项目（No.LZ2014031）

赵作福（1978-），男，辽宁省锦州市，博士，实验师，主要从事外场作用下金属凝固理论与应用的研究

本文引用格式：赵作福，周影，齐锦刚，等.Cr12MoV钢表面化学热处理的研究进展[J]. 新型工业化，2015，5（11）：1-7.