含氮热作模具钢的成分与热处理工艺优化研究

含氮热作模具钢的成分与热处理工艺优化研究

张茹

中航西安飞机工业集团股份有限公司 陕西 西安

摘要：随着社会经济的快速发展，现代工业生产和加工活动对金属材料性能的要求也变得越来越高，所以，应在现有基础上不断对含氮热作模具钢进行研究，不断提升其性能，从而优化材料成分和热处理工艺。基于此，本文就对含氮热作模具钢的成分与热处理工艺优化有关内容展开分析，可供参考。

关键词：含氮热作模具钢；成分；热处理工艺；优化

1含氮热作模具钢的质量影响因素及控制思路

1.1成分因素及控制思路分析

以12Cr1MoVG材料为例，该材料可以用于制作锅炉中的钢结构件，满足550℃以上工作环境下的作业需求，12Cr1MoVG以优质碳素结构钢为基础，加入其他元素，提升了力学性能、韧性和淬透性，其氮化品种的添加主要成分为氮元素和钒元素。从控制思路的角度来讲，此前学者提出了通过控制添加量保证材料性能的理论。该理论的核心思想为，以少量氮元素在材料表面形成渗氮层，提升合金材料的硬度和疲劳强度，同时使材料内部的强度和韧性提升。加入钒元素可实现材料的二次硬化，经热处理后，钒化钢（或简称钒钢）的洛氏硬度可达到60以上。含氮热作模具钢的性能优化，很大程度上取决于添加物的总量，氮元素和钒元素过多，可能导致钢材料过于硬脆，缺乏延展性，热加工过程当中即可出现质量问题，后续使用过程当中，也可能因周围温度的持续升高、负载水平的变化出现质量隐患，如裂纹以及断裂等。根据材料加工和使用要求，合理酌定氮元素和钒元素的用量为主要方法。一般各机构均采用模拟方式进行氮元素和钒元素添加量分析，以虚拟的理想环境作为模拟空间，或以添加其他标准参数代替动态因素影响，获取接近理想要求的氮元素和钒元素添加值。

1.2热处理工艺因素和控制思路分析

还是以12Cr1MoVG材料为例，该材料在优质碳素结构钢的基础上发展而来，淬火影响材料内碳元素的含量和材料硬度，回火影响材料理化性能和稳定性。在实际工作中，淬火和回火工艺固定且必然得到执行，需要控制的核心要素为执行次数和温度参数控制。在早期进行合金钢质量和性能研究的欧美国家，如德国等，主要考虑以固定参数进行含氮热作模具钢的制造，如德国技术人员多借助智能化设备（数控机床）等进行材料制造，以回火环节为例，假定默认标准化工序为10道，可以加工各道工序代入计算机中，以计算机控制机床，借助传感器实时收集材料加工信息，以默认工序不断进行温度控制，使材料在标准温度环境下得到加工。而在持续的工艺发展过程中，各国普遍重视采用对照实验的方式进行工艺效果评估，以默认的质量要求为核心约束条件，通过对工艺参数和方法进行调整，了解不同工艺价值和可优化的环节。

2模拟实验与结果分析

2.1实验目标与方法

通过实验，分析含氮热作模具钢最佳成分参数和热处理工艺，为确保实验理论的线性特点，去除无关因素影响，拟建立计算机模型，以标准模型为依托，添加各类实验参数，分析实验和结果。实验主要尝试提升含氮热作模具钢的抗形变、热疲劳和力学性能。可变参数为钒和氮添加量、淬火温度、回火温度、回火次数以及不同回火环节的工作温度，观察指标为材料的形变率、热疲劳时间、延展性以及刚度。为了保证实验效率，本次研究采用重复分析思路，首先获取其他学者的研究成果，据此建立参数变动的区间范围，为实验获取较为科学、明确的边界参数，获取上述信息进行含氮热作模具钢模拟制作，再以制作所获的材料模型为基础，添加第二轮模拟参数，即工作温度、工作时间、负载水平，上述三个参数均取固定值，以评估不同含氮热作模具钢的工作能力。

2.2实验过程分析

1. 第一组实验中，钒和氮含量控制为1.1%、0.011%，淬火温度设定为1070℃，默认进行两次回火，第一次回火温度540℃、第二次回火温度520℃。完成含氮热作模具钢制造后，模拟240h工作时间，工作温度默认580℃，负载水平默认为高负载。实验共进行30次，记录含氮热作模具钢形变率、热疲劳时间、延展性以及刚度信息，求取平均值进行对比。

2. 第二组试验中，钒和氮含量控制为1.0%、0.011%，淬火温度设定为1060℃，默认进行两次回火，第一次回火温度540℃、第二次回火温度520℃。完成含氮热作模具钢制造后，模拟240h工作时间，工作温度默认580℃，负载水平默认为高负载。实验共进行30次，记录含氮热作模具钢形变率、热疲劳时间、延展性以及刚度信息，求取平均值进行对比。

3. 第三组试验中，钒和氮含量控制为1.0%、0.010%，淬火温度设定为1070℃，默认进行三次回火，第一次回火温度540℃、第二次回火温度520℃、第三次回火温度500℃。完成含氮热作模具钢制造后，模拟240h工作时间，工作温度默认580℃，负载水平默认为高负载。实验共进行30次，记录含氮热作模具钢形变率、热疲劳时间、延展性以及刚度信息，求取平均值进行对比。

4. 第四组试验中，钒和氮含量控制为1.1%、0.010%，淬火温度设定为1060℃，默认进行三次回火，第一次回火温度540℃、第二次回火温度520℃、第三次回火温度500℃。完成含氮热作模具钢制造后，模拟240h工作时间，工作温度默认580℃，负载水平默认为高负载。实验共进行30次，记录含氮热作模具钢形变率、热疲劳时间、延展性以及刚度信息，求取平均值进行对比。

2.3实验结果和分析

整理四轮共120次实验的结果，以材料出现形变的时间为热疲劳时间，以材料抗屈服强度表达刚度，结果如表1所示。

从表1可见，第一组3次实验结果最为理想，仅有两个样本在240h、580℃高负载条件下出现形变，30个样本热疲劳时间平均在240h以上。制备完成的材料延展性20.4%、抗屈服强度（刚度）35.2MPa，在四组实验中均为最优。保持淬火温度不变（1070℃）、下调氮元素和钒元素添加量、增加回火次数为三次，材料性能处于中等偏上水平，与第一组相比，形变率、延展性略有增加，抗疲劳时间和刚度略有下降。不改变回火次数、降低淬火温度为1060℃、降低氮元素添加量，材料性能处于中等偏下水平，与第一组相比，形变率、延展性有明显增加，抗疲劳时间和刚度有明显下降。降低淬火温度为1060℃、增加回火次数、降低钒元素添加量的情况下，材料性能处于较低水平，形变率、延展性、抗疲劳时间和刚度均出现明显下降。

3结语

综上，含氮热作模具钢的成分与热处理工艺影响模具钢的质量，也具有进一步控制和优化的空间。实验结果证明，钒和氮含量可控制为1.1%、0.011%，热处理最优工艺为1070℃淬火+540℃一次回火+520℃二次回火，可以保证模具钢质量。

参考文献

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