H13钢RE-N-C-V-Nb多元共渗层形成机理及生长动力学

　　H13(4Cr5MoSiV1)钢作为强韧兼备的热作模具钢，具有较高的韧性和耐冷热疲劳性能，不易产生热疲劳裂纹[1]，在铝型材挤压模具中得到广泛应用。但铝型材挤压加工的工作环境十分恶劣，常规热处理使模具常以磨损和疲劳等形式从表面开始失效。因此表面强化和改性是提高模具使用寿命的关键。试验证明，RE-N-C-V-Nb多元共渗能有效提高铝型材挤压模具的寿命。本文利用Fick第二定律和Arrhenius方程研究氮碳共渗时及V、Nb多金属共渗时的生长动力学，探讨RE-N-C-V-Nb共渗层形成机理，并建立动力学数学模型，为精确掌握工艺参数，控制组织和性能提供有效参考。

　　1 试验材料及方法

　　试验用H13钢经锻造和退火处理，线切割成8mm×8mm×12mm试样，采用规格为400、800、1200和1500号碳化硅水砂纸对试样进行由粗到细的磨制，最后用2000号碳化硅砂纸研磨并抛光。在表面处理之前对试样进行丙酮清洗，洗去污渍及杂质。多元盐浴共渗工艺分3步进行: ①CNO-含量为34%，在基盐(J-1)环境中570℃保温3.5h进行盐浴N-C预渗热处理; ②1010℃保温3h进行硼砂盐浴渗RE-V-Nb，之后淬火; ③ 空气气氛中进行575℃保温2h的两次回火[2-3]。硼砂盐浴成分如表1所示。

　　用SG2-5-12坩埚电阻炉进行碳氮共渗及回火处理，SSX-12-16型箱式电阻炉进行混合盐浴共渗。动力学试验淬火以优化后的淬火温度1010℃为基准，分别取950、1010和1070℃保温1、2、3、4h，只改变淬火温度及时间，其他工艺不变。最后用XJP-B型金相显微镜和S-3400N扫描电子显微镜分析渗层形貌，通过截面金相对比标尺测出不同淬火温度及时间下各试样V(N，C)和Nb(N，C)化合物渗层的厚度，多点测量后取平均值。试样表层物相分析用D/max2500V型X射线衍射仪，阳极靶为Cu靶，以10°/min的扫描速度进行步进式面扫，数据利用MDI Jade5.0软件分析。

　　2 试验结果及讨论

　　2. 1 渗层组织与形成机理

　　1010℃×3h淬火+575℃×2h两次回火后，H13钢C-N-V-Nb-RE 共渗渗层的组织和厚度见图1所示。可以看到，渗层分为两部分，外部的化合物层及与基体相连的过渡扩散层，化合物层与扩散层有明显的界线，而扩散层与基体没有。化合物层的厚度约11～15μm，其耐磨性及抗腐蚀性强，过渡扩散层厚度约100μm。腐蚀后可看到致密连续地与基体结合的针状碳化物和氮化物。

　　化合物层XRD图谱如图2所示，可见，渗层主要含NbN、NbC、VN、V8C7相，此类Nb和V的氮碳化物有较高的硬度和韧性，VN、V8C7稳定性好，能有效提高钢的红硬性和耐磨性[4]。NbN、VN为简单立方结构，NbC、V8C7为面心立方结构，它们都是立方结构的间隙相，具有一定程度的互溶性。1010℃时H13钢处于奥氏体状态，也是面心立方结构，因此NbN、NbC、VN、V8C7和H13钢此时具有相类似的晶体结构。根据非均匀形核理论，当基体与凝固生成相晶体结构相类似时，易形核，因此在NbN、NbC、VN、V8C7形成时会孕育很多的初始晶核。并且这些相的熔点非常高，在热反应沉积(TRD)共渗处理时过冷度非常大，所以NbN、NbC、VN、V8C7相生成时，晶粒细小并且致密。