含氮热作模具钢的成分与热处理工艺优化分析

李 军

（浙江泰富无缝钢管有限公司，浙江 绍兴 312367）

含氮热作模具钢属于热作模具钢的一种，热作模具钢则属合金工具钢，用于制作对金属进行热变形加工的各类模具，如热锻模、热挤压模、压铸模、热镦模等。现代工业生产和加工活动对金属材料性能的要求较高，应在现有基础上不断对含氮热作模具钢进行研究，提升其性能，进一步优化材料成分和热处理工艺。

1 含氮热作模具钢的质量影响因素和控制思路

1.1 成分因素和控制思路

含氮热作模具钢常用于各类模具的作用，由于热作模具长时间处于高温高压条件下，要求模具材料具有理想的抗形变能力、力学性能及热稳定性，能够有效应有满足特殊环境下的工作需求。这首先对含氮热作模具钢的成分提出了较高要求。以12Cr1MoVG材料为例，该材料可用于制作锅炉中的钢结构件，满足550℃以上工作环境下的作业需求，12Cr1MoVG以优质碳素结构钢为基础，加入其他元素，提升了力学性能、淬透性、韧性，其氮化品种的添加成分中，氮元素和钒元素属主要成分。从控制思路的角度上看，此前学者提出了通过控制添加量保证材料性能的理论。该理论的核心思想为，以少量氮元素在材料表面形成渗氮层，提升合金材料的硬度和疲劳强度，同时使材料内部的强度和韧性提升。钒元素的加入可实现材料的二次硬化，经热处理后，钒化钢（或简称钒钢）的洛氏硬度可达到60以上[1]。

含氮热作模具钢的性能优化，很大程度上取决于添加物的总量，氮元素和钒元素过多，可能导致钢材料过于硬脆，缺乏延展性，热加工过程中即可出现质量问题，后续使用过程中，也可能因周围温度的持续升高、负载水平的变化出现质量隐患，如裂纹、断裂等。思路上看，根据材料加工和使用要求，合理酌定氮元素和钒元素的用量（一般以百分比表达）为主要方法。一般而言，各机构均采用模拟方式进行氮元素和钒元素添加量分析，以虚拟的理想环境作为模拟空间，或以添加其他标准参数代替动态因素影响，获取接近理想要求的氮元素和钒元素添加值，我国目前也主要通过类似方式进行含氮热作模具钢成分控制[2]。

1.2 热处理工艺因素和控制思路

热处理工艺是指材料在固态下，通过加热、保温和冷却的手段，以获得预期组织和性能的一种金属热加工工艺。在含氮热作模具钢的制作过程中，热处理工艺主要牵涉到淬火、回火两个方面，正火和退火工艺相对固定，影响有限，不纳入分析。仍以12Cr1MoVG材料为例，该材料在优质碳素结构钢的基础上发展而来，淬火影响材料内碳元素的含量和材料硬度，回火影响材料理化性能和稳定性。在实际工作中，淬火和回火工艺固定且必然得到执行，需要控制的核心要素为执行次数和温度参数控制[3]。

在早期进行合金钢质量和性能研究的欧美国家，如德国、美国等，主要考虑以固定参数进行含氮热作模具钢的制造，如德国技术人员多借助智能化设备（数控机床）等进行材料制造，以回火环节为例，假定默认标准化工序为10道，可加工各道工序代入计算机中，以计算机控制机床（一体化者为数控机床），借助传感器实时收集材料加工信息，以默认工序不断进行温度控制，使材料在标准温度环境下得到加工。而在持续的工艺发展过程中，各国普遍重视采用对照实验的方式进行工艺效果评估，以默认的质量要求为核心约束条件，通过对工艺参数和方法进行调整，了解不同工艺价值和可优化的环节。

2 模拟实验和结果分析

2.1 实验目标和方法

拟通过实验，分析含氮热作模具钢最佳成分参数和热处理工艺，为确保实验理论的线性特点，去除无关因素影响，拟建立计算机模型，以标准模型为依托，添加各类实验参数，进行实验和结果分析。实验主要尝试提升含氮热作模具钢的抗形变、热疲劳和力学性能。可变参数为钒和氮添加量、淬火温度、回火温度、回火次数以及不同回火环节的工作温度，观察指标为材料的形变率、热疲劳时间、延展性以及刚度。为保证实验效率，本次研究采用重复分析思路，首先获取其他学者的研究成果，据此建立参数变动的区间范围，为实验获取较为科学、明确的边界参数，获取上述信息进行含氮热作模具钢模拟制作，再以制作所获的材料模型为基础，添加第二轮模拟参数，即工作温度、工作时间、负载水平，上述三个参数均取固定值，以评估不同含氮热作模具钢的工作能力。

2.2 实验过程

实验共分为四组：

第一组实验中，钒和氮含量控制为1.1%、0.011%，淬火温度设定为1070℃，默认进行两次回火，第一次回火温度540℃、第二次回火温度520℃。完成含氮热作模具钢制造后，模拟240h工作时间，工作温度默认580℃，负载水平默认为高负载。实验共进行30次，记录含氮热作模具钢形变率、热疲劳时间、延展性以及刚度信息，求取平均值进行对比。

第二组试验中，钒和氮含量控制为1.0%、0.011%，淬火温度设定为1060℃，默认进行两次回火，第一次回火温度540℃、第二次回火温度520℃。完成含氮热作模具钢制造后，模拟240h工作时间，工作温度默认580℃，负载水平默认为高负载。实验共进行30次，记录含氮热作模具钢形变率、热疲劳时间、延展性以及刚度信息，求取平均值进行对比。

第三组试验中，钒和氮含量控制为1.0%、0.010%，淬火温度设定为1070℃，默认进行三次回火，第一次回火温度540℃、第二次回火温度520℃、第三次回火温度500℃。完成含氮热作模具钢制造后，模拟240h工作时间，工作温度默认580℃，负载水平默认为高负载。实验共进行30次，记录含氮热作模具钢形变率、热疲劳时间、延展性以及刚度信息，求取平均值进行对比。

第四组试验中，钒和氮含量控制为1.1%、0.010%，淬火温度设定为1060℃，默认进行三次回火，第一次回火温度540℃、第二次回火温度520℃、第三次回火温度500℃。完成含氮热作模具钢制造后，模拟240h工作时间，工作温度默认580℃，负载水平默认为高负载。实验共进行30次，记录含氮热作模具钢形变率、热疲劳时间、延展性以及刚度信息，求取平均值进行对比。

2.3 实验结果和分析

对四轮共120次实验的结果进行整理，以材料出现形变的时间为热疲劳时间，以材料抗屈服强度表达刚度，结果见表1。

表1 实验结果（n=30）

从结果上看，第一组3次实验结果最为理想，仅有两个样本在240h、580℃高负载条件下出现形变，30个样本热疲劳时间平均在240h以上。制备完成的材料延展性20.4%、抗屈服强度（刚度）35.2MPa，在四组实验中均为最优。保持淬火温度不变（1070℃）、下调氮元素和钒元素添加量、增加回火次数为三次，材料性能处于中等偏上水平，与第一组相比，形变率、延展性略有增加，抗疲劳时间和刚度略有下降。不改变回火次数、降低淬火温度为1060℃、降低氮元素添加量，材料性能处于中等偏下水平，与第一组相比，形变率、延展性有明显增加，抗疲劳时间和刚度有明显下降。降低淬火温度为1060℃、增加回火次数、降低钒元素添加量的情况下，材料性能处于较低水平，形变率、延展性、抗疲劳时间和刚度均出现明显下降。

结合实验结果进行分析，可获取如下结论：

钒和氮含量可控制为1.1%、0.011%，热处理最优工艺为1070℃淬火+540℃一次回火+520℃二次回火，含氮热作模具钢的质量最为理想。后续工作中，建议在条件允许的情况下，加强对不同元素添加量参数的直接控制，同时确保热处理工艺处于标准化水平，可借助必要的智能化操作设备和控制设备，对含氮热作模具钢的制造进行把控。在不确定参数控制效果的情况下也可借助虚拟实验，获取可靠参数再投入具体作业中。

3 总结

综上，含氮热作模具钢的成分与热处理工艺影响模具钢的质量，也具有进一步控制和优化的空间。从形变、力学性能、热疲劳三个角度着眼，影响模具钢质量的成分因素为钒和氮含量，热处理工艺因素为淬火和回火温度。实验分析证明了上述理论，同时实验结果证明，钒和氮含量可控制为1.1%、0.011%，热处理最优工艺为1070℃淬火+540℃一次回火+520℃二次回火，可保证模具钢质量。