浅析模具表面渗碳化学热处理技术与应用

沈安邦

（安庆安星电气有限公司,安徽 安庆 246000）

引言：在热处理工艺中，表面热处理可分为表面淬火和表面化学热处理两大类，而表面化学热处理技术种类很多，一般都以渗入的元素来命名，常用的化学热处理方法有渗碳、渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗、渗硼、渗金属等。采用渗碳化学热处理技术可以有效提高了热挤压模具的质量和综合性能，并能大幅提高了模具的使用寿命。

一、模具表面渗碳的化学热处理技术

模具表面化学热处理是指将钢件置于特定的活性介质中加热和保温，使一种或几种元素渗入模具工件表面，以改变表层的化学成分、组织，使表层具有与心部不同的力学性能或特殊的物理、化学性能的热处理工艺。

渗碳是把钢件置于含有活性碳的介质中，加热到850～9500C，保温一定时间，使碳原子渗入钢件表面的化学热处理工艺。工件经渗碳后其表面硬度和耐磨性显著提高，并可进一步增强渗碳工件的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。按渗碳介质的物理状态不同，可将渗碳方法分为固体渗碳、气体渗碳、真空渗碳和离子（CD）渗碳等。

（一）固体渗碳

固体渗碳是将工件置于填满木炭和碳酸钡的密封箱内进行，渗碳剂是木炭和碳酸钡的混合物，其中木炭起渗碳作用，碳酸钡起催渗作用。在高温下的木炭与空隙中的氧气反应形成了CO2，CO2与C 反应形成不稳定的CO，CO 在工件表面分解得到活性碳原子，即可渗入工件表面形成渗碳层。

（二）气体渗碳

气体渗碳采用液体或气体碳氢化合物作为渗碳剂。国内应用最广的气体渗碳方法是滴注式气体渗碳，其方法是将工件置于密封的加热炉中，滴入煤油、丙酮、甲苯及甲醇等有机液体，这些渗碳剂在炉中形成含有H2、CH4、CO 和少量CO2 的渗碳气氛，使钢件在高温下与气体介质发生反应。但工件经渗碳后必须进行淬火才能获得高硬度、高耐磨性。渗碳主要用于承受大冲击、高强度、使用硬度为58～62HRC 的小型模具。

（三）真空渗碳

真空渗碳是一个不平衡的增碳扩散型渗碳工艺，被处理的工件在真空中加热到奥氏体化，并在渗碳气氛中渗碳，然后扩散、淬火。由于渗碳前是在真空状态下加热，钢的表面很干净，非常有利于碳原子的吸附和扩散。与气体渗碳相比，真空渗碳的温度高，渗碳时间可明显缩短。

（四）CD 渗碳

CD 渗碳是20 世纪80 年代后期出现的渗碳方法。CD 渗碳法采用含有大量强碳化物形成元素（如Cr、Ti、Mo、V）的模具钢在渗碳气氛中加热，在碳原子自表面向内部扩散的同时，渗层中沉淀出大量弥散合金碳化物，弥散碳化物含量达50%以上，呈细小均匀分布，淬火、回火后可获得很高的硬度和耐磨性。

二、模具表面渗碳化学热处理技术的应用

渗碳工艺通常应用于部分热作模具及冷作模具，以提高模具表面的硬度和使用寿命。例如，3Cr2W8V 钢热挤压模具，先渗碳再分别经过1140～11500C 淬火及5500C 回火后，表面硬度可达58～61HRC，使热挤压有色金属及其合金的模具寿命提高1.8～3.0 倍。

（一）模具表面未经渗碳处理前性能状况

用3Cr2W8V 热挤模具采用热挤压工艺生产轴承套圈毛坯。轴承套圈的材料是GCr15 钢，挤压时的工作温度＞9500C。模具凹、凸模的表面温度为600～7000C，模具在高温和高应力共同作用下寿命较短。未采取表面处理措施以前的热处理工艺为11000C 淬火，然后5800C 回火，模具凹、凸模的表面硬度仅为44～48HRC，模具寿命仅为1000～2000 件。究其失效形式的原因主要有以下几种：

1.热磨损造成挤压凸模和凹模表面拉毛，进而造成沟槽，致使模具因工作零件磨损而失效。

2.由于交变热应力和弯曲应力的作用，使凸模沿根部断裂。

3.由于热应力和凸、凹模表面各种交变应力的作用，使凸模表面和凹模型腔产生龟裂。

（二）通过试验探寻模具表面渗碳处理的最佳工艺方案

采用固体渗碳，渗碳箱为300mm×300mm×170mm，用不锈钢制成。渗碳剂为市售颗粒固体渗碳剂。加热设备为RJJ-25-13 高温箱式炉。渗碳后淬火介质为L-AN32 全损耗系统用油（原20 号机油）。金相试样棒为ø15mm×20mm，渗碳层深度试样棒为ø30mm×100mm。

将挤压凸模、凹模埋入渗碳箱，密封后装入炉中，升温至8500C，保温1～2h，再升温至渗碳温度。达到1140—11500C 渗碳温度后，保温2～3h，随炉降温到10000C，停留一段时间后迅速出炉开箱淬火。

轴承是定型、大批量生产的产品，故有条件通过试验获得最适宜的渗碳温度。分别采用渗碳温度10000C、10500C、11000C、11500C 进行渗碳处理试验，探寻合理的工艺参数。将试件经不同温度渗碳并直接淬火、回火处理。试验发现500～5500C 的回火温度成为模具的二次硬化峰区，回火温度超过6500C，模具硬度开始明显下降。鉴于二次硬化时对模具韧性的影响，最终选用600～6200C 为热挤压模具的回火温度。

又将加工6209 轴承所用的凸模进行渗碳处理试验，将其经不同温度渗碳处理并直接淬火，经6000C 两次回火。试验结果数据表明：选用11000C 作为模具的高温渗碳温度具有良好的渗碳层组织和表面状况，其表面强度、渗碳深度、金相组织均获提升或改善，并还发现其表层含碳量分布极为平缓，无明显转折区；试件基体碳的质量分数为0.41%，即可看出有较深的渗碳层。

显然，上述试验为我们进行模具表面渗碳热处理提供了理想的工艺方案。

结语：模具的水平、质量和寿命则与模具表面强化的渗碳化学热处理技术休戚相关。试验表明：采用渗碳化学热处理技术将有效提高模具的质量和综合使用性能，进而大幅提高了模具的使用寿命。因此要提高我国模具生产整体水平,表面处理技术将起着举足轻重的作用。