H13钢模具的表面热处理

刘宝石 王义震

摘  要：随着国内制造业的蓬勃发展，各行各业都取得不错的成绩，而金属领域的模具钢处理技术一直备受业内关注，其中的核心是H13钢模具的表面热处理，其技术手段影响着行业发展。其中H13 （4Cr5MoSiV1） 钢成分为 0132～0145C，4175～5150Cr 等，是目前市场中热挤压模和压铸模的常用钢模具，其工作温度高达600℃，基于此，本文主要从H13钢模具的锻造预热出发，介绍了其表面热处理的几种工艺过程及细节，希望能为相关工作提供参考。

关键词：钢模具;淬火;处理;表面;共渗

1.前言

目前国内外都在广泛使用的钢是H13钢（4Cr5MoSiV1） ，它是一种需要表面热处理后定型的热作钢模具，经过分析其化学成分后得出成分比例（%）为：0132～0145C，，0180～1120Si，1110 ～1175Mo等。这种钢模具工作时的温度最高为600℃，通常具有良好的红硬性、抗热性、热强性，在铝合金热挤压模具及压铸模具中运用最多。H13经过淬火、回火后硬度变为42～48 HRC ，当遇到恶劣工作环境时，荣誉发生热磨损和热疲勞，因此这种模具钢继续具有很强的硬度和耐腐蚀性。如果模具不耐磨就会降低其使用时间，为了延长钢模具使用寿命，就要从其表面抗性为突破口，从节约能源资源的角度出发，通过对H13钢模具进行表面热处理，从而达到改善其使用时间的目的。

2.H13钢模具的表面低温化学热处理

2.1H13钢模具的离子渗氮处理工艺

H13钢模具中一些元素成弥散分布，比如Cr、Mo，这样增加了钢模具的耐磨耐腐性，并且能有效抗粘，在520℃下对H13实施高于90min的离子渗氮处理可增加其硬度。但是如若离子氮温度大于570℃，H13中国化合物层出现氮化物且为蜘蛛网状，那它的耐磨性就会下降，因此其表面化合物最厚可为6μm，氮层厚度为0.3㎜，这里对应的耐磨性会有一个极大值为高温520℃。H13表面渗氮以此不可能完成，一般3次以上，渗氮厚度一般在0.15-0.20mm之间。当以H13制造挤压铝型材时，需要两次回火且1080℃的油淬，其硬度为48HRC[1]。

2.2H13钢模具的N-C共渗处理工艺

该工艺也叫软化氮，H13中的ε韧性低因此会对其抗热疲劳性能产生不利影响，在进行软氮化时由于C和ε在550℃时达到3.18%，而其表层包含了C、N的化合物耐磨性很强。而软化氮在565℃以下能够有很高的渗透熟读，并生成ε+γ′相所需的高浓度N，这样在其表面就有更多N渗入，专业那个在第二阶段更有利于扩散层产生。软化氮时间一般不能超过4h，到大于6h时就不再产生渗层。经过研究表明，可用氨气、酒精作为渗透剂。

2.3H13钢模具的N-C-V共渗工艺

H13钢模具的N-C-V温服不超过560℃为佳，主要是在混合尿素及碳酸盐盐浴中加入V剂、活性剂等，该步骤时间为2-4小时，通过金属V原子深入模具表面，形成具有强弥散性的VC、VN硬质，最终硬度可大于1300HV，从而增加钢模具的耐磨、耐热性。然后再利用其表层残留的N、C等物质，提高其承载力。一些铝合金厂的平面模具就是采用N-C共渗工艺实现延长使用时间的目的，并且较原来提高了一倍多，有良好的经济效益[2]。

3.H13钢模具的高能束流表面处理

3.1激光表面处理工艺

近年来H13刚募集的激光淬火、熔覆技术等都有很大发展，这是由于近年来大功率电器价格有所下调节导致。激光熔覆技术主要是需要用熔覆材料覆盖模具表面，这种材料需要有稳定性能，覆盖后模具的表面性能会被改变，这种处理方式比等离子喷焊更利于局部控制及准确输入，而且符合当今社会的节能理念，缺点是土层容易出现缺陷，热影响小，在激光功率为P=1500W的情况下送粉量为10g/min，并且在1000℃高温下涂层仍然有很强硬度，是一种很不错的高温模具。H13常规处理硬度通常在44HRC，之后是激光淬火，让其表面硬度达到62HRC就可以生成极细错位性马氏体组织，继而激光加热后析出碳化物，这样就增加了抗火性和耐磨性[3]。

3.2高能束表面合金化处理

高能束表面合金处理能源是激光束和电子束，是表面改性的新兴技术，具体操作是通过在H13钢模具通过电弧离地镀设备上沉积铝膜，之后是进行15次左右的轰击处理，主要技术是束辐找技术，当然这种技术主要针对铝合金压铸膜。之后又暑假那达到至高温将电子束熔入基体表层，由于模具有良好的导热性因而会快速冷却。之后脉冲电子束产生冲击振动，处理后的模具有10μm的氧化膜，再次加热、冷却后期稳固性最佳，不会断裂，有效改善模具的脑模型和抗氧化能力[4]。

3.3离子注入表面改性处理

该技术早期主要是N离子注入技术，目前的金属表面离子注入技术已经是模具改性研究的主要方向，并且被广泛用于大量精密、关键的零部件改性，对于延长零部件和模具的使用时间、提高性能方面具有促进作用。在H13改性处理中，由于在500℃退火时有70%的N原子流失，因此注入的N离子改善不明显，但是S离子却能够让本来强度高的钢摩擦系数降低至少40%，从而增加耐磨性，其效果是最好的，并且Si和Si+N离子注入后模具摩擦系数增加了409%，耐磨性也成倍增加可达1.4倍。

4.结语

综上所述，H13钢模具的表面热处理主要分为低温化学热处理及高能速流表面处理，其中表面热化学处理主要有离子渗氮处理、N-C共渗处理、N-C-V共渗处理等，而高能速流处理则分为激光表面处理 、高能速表面金合化处理、离子注入表面改性处理，由于篇幅有限很多工艺不能全都阐述。但可看出其热处理工艺需要掌握专业的技术理论及实践经验，相关人员应该认真钻研，精进工艺操作，争取为金属行业的发展做出积极贡献。

参考文献：

[1]侯文达.激光选区熔化成形H13钢模具的工艺研究[D].江苏理工学院，2020.

[2]吕庆玉，邓玉臻.热挤压H13钢模具工作带划伤原因探讨[J].铝加工，2021，（05）：56-60.

[3]葛志宏，邓静.H13钢模具电火花表面强化工艺参数优化分析[J].热加工工艺，2020，44（06）：109-111.

[4]冯建新，宛农.大截面H13钢模具淬火开裂分析及冷却制度的拟定[J].武汉轻工大学学报，2020，33（03）：32-34.