时效硬化型氮化模具钢

热作模具材料的韧性和耐磨性是影响模具寿命的关键特性。随着新模具材料和新热处理工艺的不断出现，热作模具的使用寿命大大提高。然而，作为一种常用的热作模具钢H13，高温强度和韧性不足，特别是通过氮化处理难以获得较厚的耐磨渗氮层。为此，我们开发了一种高温强度和适合氮化处理的及时硬化氮化模具钢20Cr3MnMoV。也可用于制造重载高强度耐磨件。

结合**资源，在20Cr3Mo2NiVSi（PH）在调整化学成分的基础上，成功发展20Cr3MnMoV时效硬化钢可同时实现氮化硬化和时效硬化，已成功制造长寿命氮化热作模具和高耐磨性深氮化零件。

1.时效硬化钢的合金成分设计

时效硬化钢具有以下特点：

（1）有良好的析出硬化性能，取消Ni，析出相以Cr、Mo、V、Nb以金属间化合物为主的合金碳化物沉淀。

(2)退火状态具有良好的切削加工性，固溶处理状态具有足够的切削加工性。

(3)时效硬化温度为520~580℃同时进行深层氮化硬化和基体时效硬化。

(4)表面氮化强化和及时强化具有较高的热稳定性，心脏具有良好的冲击韧性。

(5)废弃油淬，采用空冷或气冷固溶处理，保证足够的淬透性。

参照20Cr3Mo2NiVSi（PH）钢在板条状低碳马氏体中通过金属间化合物和合金碳化物进行硬化，使钢具有较高的高温强度和耐磨性，表现为热模具具有较高的使用寿命。想象一下PH钢的优点(及时硬化特性)增加了深氮化强化的因素。

为此，设计的时效硬化钢为低碳高锰空冷低碳贝氏体/马氏体复合钢，添加Cr、Mo、V、Nb及时形成沉淀相，氮化时形成氮化物相，实现及时硬化和氮化硬化。

空冷低碳贝氏体/马氏体复相钢，可获得高强度组合的低碳贝氏体/马氏体组织，添加大量Mn元素可以延缓珠光体转化，降低贝氏体开始转化温度，以确保在空冷或空冷条件下获得一定量的贝氏体；添加Cr有利于下贝氏体和氮化硬化；添加量大于1%Mo与Cr、V结合成为沉淀硬化的主要因素；Si可抑制渗碳体的沉淀，从而控制渗碳体的沉淀Si量不宜过高，有利于合金碳化物的沉淀和硬化；微量合金元素Nb有利于细化组织，提高强韧性，增加晶界面氮的扩散通道。

所研制的时效硬化渗氮模具钢20Cr3MnMoV化学成分见表1所示。

表1 试验钢与PH钢化学成分(质量分数)(%)

2.20Cr3MnMoV钢热处理

退火采用780℃保温3h炉冷，硬度30~36HRC，适用于机械加工。

模具加工成型后，如果精密模具需要减少变形和加600~650℃应力退火。

采用固溶处理920℃保温2h，空冷散放，大件可冷却，或真空加热2×105Pa气淬，硬度40~44HRC。

(1)不需要氮化的模具:空冷固溶后直接进行540℃×6～8h时效后空冷，硬度48~50HRC。模具精加工时效后进行。

（2）要求氮化的模具：固体溶解处理后，将模具加工到尺寸并转移到氮化处理中。注意不需要及时处理，简化工艺，同时进行模具表面氮化硬化和基体及时硬化。

表2 渗氮工艺规范

3.20Cr3MnMoV钢与H13钢离子渗碳比较

H13钢作为一种热模具钢，为了提高模具的耐磨性和使用寿命，经常在模具淬火和回火后进行表面氮化处理，通常需要热挤压模具和热锻模具0.2～0.3mm以上深层渗氮，压铸模和铝热挤压模则要求0.07～0.15mm浅层渗氮。

生产实践表明，H13钢深渗氮要求的层深大于0.2mm，表层组织合格，基体保持高硬度480HV）很难实现。从附图可以看出。H13钢氮化0.3mm基体硬度只有460HV（46.5HRC）。

H13钢520℃×20h渗氮层深0.18mm，530℃×40h渗氮层深0.3mm，而20Cr3MnMoV钢520℃×20h渗氮，层深0.3mm，530℃×40h渗氮层深0.5mm。

4.及时硬化钢的氮变形

及时硬化钢模固溶后的氮化不同于一般调质钢氮化，因为前者在氮化过程中应发生基体及时硬化，而后者在氮化过程中一般不会继续改变基体回火索氏体。

为了确定及时硬化钢模具的氮化变形量，分别测量了及时硬化钢试验棒的及时硬化和氮化尺寸变化，并将钢试验件的氮化尺寸变化测量进行了比较。试验结果表明，及时硬化钢氮化产生的尺寸变化略大于一般调质钢氮化。42CrMo氮化0.4mm，尺寸变化为万分之二。基体时效硬化引起的尺寸变化约为万分之二，即时效硬化钢氮化时的尺寸变化100mm由于时间硬化，厚模可能会导致晶格畸变和基体膨胀，导致尺寸增加0.02mm，这种小尺寸变化可以通过模具氮化前加工到负公差范围来控制，也可以在氮化前留下精细磨量。

试验结果还表明，与氮化和综合变形量相比，一段氮化变形和尺寸变化较小。氮化层深0.4～0.5mm当一段氮化尺寸变化约为万分之二，二段氮化尺寸变化约为万分之五。调质钢二段氮化尺寸变化约为万分之二。因此，除非氮化层深度大于0.5mm，一段氮化一般优先考虑时效硬化钢。

5.20Cr3MnMoV钢热稳定性试验

20Cr3MnMoV钢试样900℃×3h高温时效试验在空冷固溶处理后进行。560℃保温2h，时效后的硬度为482HV（48HRC），560℃保温35h，时效后的硬度为475HV（47.5HRC），可见20Cr3MnMoV钢具有较高的抗高温软化特性，对热挤压模具和热锻模具具具有重要意义。

6.应用展望

(1)时效硬化氮化模具钢20Cr3MnMoV，可用于制作热锻模、热挤压模等热作模于固溶时效，硬度可保持48~50HRC以上，可望比H13钢具有较高的韧性和使用寿命。

（2）为了提高模具的耐磨性和使用寿命，可以在空冷固溶后进行氮化处理，将氮化和及时性结合起来，取消常规的油淬工艺，简化工艺。

（3）20Cr3MnMoV优于钢氮化H13钢的氮化层深度大于0.2mm，该钢具有独特的优点，氮化层深度可达0.2～0.5mm，应用前景广阔。

（4）20Cr3MnMoV钢采用低温空冷固溶处理，取代传统的高温加热油淬工艺，节能环保，保证模具的有效厚度150mm适用于制造中小型热作模具。

（5）20Cr3MnMoV钢材成本和制造成本都低于H13钢具有优异的氮化特性，广泛应用于重载热作模具和重载耐磨零件，需要表面耐磨，心部强化。

来源:金属加工(热加工)杂志