H13钢(4Cr5MoSiV1)具有良好的热强性、红硬性、较高的韧性和抗热疲劳性能,被广泛用于铝合金压铸模及挤压铸模,是国际上普遍使用的强度和韧度兼具的热作模具钢之一,其应用前景十分广阔。模具在工作时与高温金属液接触,要承受磨损、热疲劳、冲蚀、应力腐蚀、高温铝合金金属液的反复热冲击和机械冲击,因此使用寿命较短。模具失效不仅增加成本,浪费工时,还会影响产品的质量,其中主要失效形式为高温腐蚀。模具的失效一般是从与金属液接触的表面开始的, 因此提高其表面的抗腐蚀性能是延长寿命的关键技术之一。
成都工具研究所研发的第二代QPQ技术——深层QPQ技术,其化合物层深度由原有QPQ技术的15-20微米增加到30-40微米,甚至更深。第二代QPQ技术环保、无污染,可完美替代普通镀铬、镀镍工艺。耐磨性比淬火及渗碳淬火高10倍以上。抗蚀性比镀硬铬高20倍以上。解决硬化变形是其特长,工件几乎不变形,可以同时替代热处理和防腐两道工序。
QPQ处理是指在氮化盐浴+氧化盐浴两种盐浴中处理工件, 实现了渗氮工序和氧化工序的复合;渗层组织是氮化物+氧化物的复合;性能是耐磨性和抗蚀性的复合;工艺是热处理技术和防腐技术的复合。其基本工艺过程是在氮化盐浴与氧化盐浴中处理工件,使工件的耐磨性、耐蚀性得到很大程度改善,可用于模具钢表面改性处理,具有加工温度低、工件变形小、全过程无公害等优异特征。而另一种针对H13钢的盐浴氮化+氧化表面处理, 在相应的试验中发现等离子渗氮形成的氮化物层,在随后的氧化过程中将逐步转变为氧化物,这将减小热作模具服役过程中的热裂纹形成倾向。因此,盐浴氮化+氧化工艺对既要求高强度抵抗塑性变形、又要求高韧性抵抗热疲劳的热作模具是合理的选择。本文对H13钢分别进行盐浴氮化+氧化处理和QPQ处理, 研究了不同表面处理工艺下H13钢表层的显微组织、硬度、物相组成及其热熔损性能,以期为后续应用提供参考。
将H13钢放入盐浴中处理后,取出样品,在空气中冷却至室温。最后用蒸馏水洗去工件表面残留的盐,得到氮化试样。随后,将氮化试样继续做氧化处理。取氧化盐在400℃进行熔化, 将试样置于盐浴中氧化60min, 取出试样冷却后除去残留的氧化盐。复合盐浴处理由渗氮和氧化组成,此技术提高基体表面耐磨性、耐蚀性, 解决硬化变形问题。H13钢去除表面氧化层及油垢, 在350℃预热保温20 min, 然后将其放在540℃氮化盐浴中保温3h,440℃氧化盐浴保温 20min,得到QPQ处理试样。
在铝液腐蚀试验之前, 对样品的质量进行称重并记录。将未处理试样、QPQ 试样以及盐浴氮化+氧化同时在750℃的A370铝液中腐蚀 30min后取出。其中每种样品设置3个平行样进行失重测量,1个样品不去除附着的铝进行组织观察。测量失重的3个平行试样腐蚀后使用饱和NaOH水溶液去除表面粘附的铝,直到试样在NaOH溶液中无气泡冒出证明表面粘附的铝去除干净。最后用酒精对试样进行清洗。1.金相分析下图为H13模 具 钢 经 过 两 种 表 面 处 理 后 的SEM 显微组织。
由图中可清晰观察到,图a中盐浴氮化+氧化(N+O)试样渗层从表面到心部依次为外表氧化物层、中间化合物层和内部扩散层。氮化物呈现针状在基体内排布,结合紧密良好。在盐浴炉保温过程中, 氮原子顺浓度梯度扩散入基体并形成氮化物层,在随后的氧化过程中,靠近表面的渗层被逐渐氧化成为氧化物, 这将减小热作模具服役过程中的热裂纹形成倾向, 对于表面耐蚀性及耐磨性提高具重要作用。图b是 QPQ处理的试样截面渗层组织形貌, 渗层组织由表面向心部依次为氧化膜层、化合物层、扩散层。渗层厚度均匀,无明显缺陷,在扩散层内部有大量细小针状氮化物析出,均匀穿插于基体内部,且N元素随扩散距离的增加呈递减变化,在渗层中呈良好的梯度分布。化合物层是渗氮层的重要组成部分, 正是因为形成了高硬度的合金氮化物使得表面渗层的硬度有了大幅度的提高,由于氮的浓度由表面到基体呈递减趋势, 符合扩散的基本特征。而在靠内的扩散层与化合物层交接处开始,氮的浓度下降而无法满足形成氮化物的条件,主要以固溶形式存在, 硬度的提升相较于化合物层有大幅度降低。对图中的1、2点分别进行EDS点扫描,结果如表2所示。
由表2点扫描结果可知, 在点1区域存在一定量的O、N元素,在盐浴氮化+氧化过程中,N原子先是与Fe原子结合为铁氮化物。在之后的氧化过程中,游离铁和铁氮化物被转化为稳定的铁氧化物,在外表形成具有保护作用的氧化层,从而提升H13钢的抗铝液腐蚀能力。QPQ 处理中在盐浴氮化作用下,N渗入Fe的晶格内部,与Fe结合形成高硬度氮化物,产生固溶强化作用,以及基体硬质相颗粒Cr的弥散强化作用。图为H13模具钢经过两种表面处理后的XRD衍射图谱。图中显示了两种处理方式的形成的物相结构差异。
硬度会影响试样耐磨性与耐蚀性。图为H13钢经两种表面处理后的显微硬度曲线。由图可见,二者显微硬度均随深度呈现阶梯状下降的趋势, 相较于基体组织,二者显微硬度均有较大幅度的提高,渗层硬度基本维持在1000HV0.1以上, 盐浴氮化+氧化处理的试样在距表面 18.5μm深度处硬度达到1123.3HV0.1,相对于基体硬度479.4HV0.1 提升了134%。这是因为氮原子向基体内扩散,形成氮化物,由于固溶强化的作用使得硬度有了较大提升,在氧化的过程中,将靠近表面的渗层中Fe元素氧化为Fe3O4,提升了表面的硬度;与此同时,少量存在的高硬度Cr2N也对硬度的提升产生了作用。
使用维氏硬度计测量,相较于腐蚀前,二者外层硬度均有较大下降,但相较于基体硬度,处理后试样在腐蚀后硬度仍有较大提升,且硬度随渗层深度呈现下降趋势。
主要存在两个因素:一是铝原子扩散进入基体,然后在基体中形成金属间化合物;另一个因素是铁元素从基体中逃逸,与铝、硅元素结合成 FexAlySiz。单独的氮化处理并不能显著提升H13钢的抗腐蚀性能。当采用后氧化处理时,侵蚀率降低,其中一个影响侵蚀率的重要因素是氧化层的存在。因此可以认为氧化层的存在是提升H13钢抗铝液腐蚀性能的主要因素。 经QPQ处理后,试样的抗腐蚀性大大提高。这主要是由于氮、氧的渗入在金属表面形成了Fe2-3N化合物层以及高致密的Fe3O4膜。此外Fe3O4氧化膜稳定性好,不易被腐蚀。
两种工艺中形成的氮化层能有效地保护基体材料,减少侵蚀试验期间的重量损失,外部氧化层的深度提高了H13工具钢的抗腐蚀性。通过氧化处理可以产生更厚的氧化层, 有效减少铝液对于试样的冲刷。QPQ试样由于保留了Fe3O4膜,该层导致耐磨性显著提高,形成较厚的Fe3O4膜,可提高钢的耐腐蚀性。返回搜狐，查看更多
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