Cr12MoV钢渗钒工艺的研究进展

郭林龙，赵作福，单东栋，李 鑫，霍宝阳，薄海洋



Cr12MoV钢渗钒工艺的研究进展

郭林龙，赵作福，单东栋，李 鑫，霍宝阳，薄海洋

（辽宁工业大学 材料科学与工程学院，辽宁 锦州 121001）

Cr12MoV是高碳高铬类莱式体钢，在冷作模具钢中得到广泛使用，适当的表面热处理工艺可以有效提高其硬度、耐磨性、抗腐蚀性，延长其使用寿命。概述了Cr12MoV钢表面渗钒的化学热处理工艺，以及不同工艺处理下Cr12MoV钢的微观组织结构和性能的改变，阐述了Cr12MoV钢化学热处理的研究现状及发展趋势。

Cr12MoV钢；力学性能；渗钒

Cr12MoV钢具有耐磨性高、淬硬性大、淬透性好、韧性强、回火稳定性好等优点，被广泛应用于制造截面较大、工作负荷较重、形状复杂的各种模具[1-2]。但Cr12MoV钢在生产过程中存在大量的碳化物，且成分偏析严重，常常导致模具的早期失效，从而降低模具的使用寿命[3]。

化学热处理工艺可以大幅度提高Cr12MoV钢的耐磨耐蚀性能，延长工件的使用寿命，在模具钢的表面处理方面得到广泛应用[4]。其中渗钒处理是Cr12MoV钢化学热处理中较常见的方法之一。表面渗钒具有设备简单、操作方便、渗速快、易于推广等优点，备受科研工作者们关注。目前，常用的渗钒方法有固体渗钒、盐浴渗钒、双辉等离子渗钒、多元共渗等。渗钒工艺所形成的渗钒层在常温下具有稳定性好和抗磨损能力强等优点，在Cr12MoV钢的模具和工件的表面强化中应用效果良好，但是表面渗钒处理工艺受渗钒温度、保温时间和渗剂配比及使用次数等参数的影响[5]，为此科研工作者们不断探索Cr12MoV钢渗钒的新工艺。

1 固体渗钒

1984年，孙希泰等[6]在900~950 ℃条件下，对Cr12MoV钢进行4~6 h的固体渗钒，其渗钒层厚度可达到10~15 μm，表面硬度为2 000~3 700 HV，且渗钒后制作的重负荷模具（如冲头等）具有耐磨性高、脆性低等优点，使用寿命提高15倍以上。

随着科学技术的发展和时代的进步，粉末固体渗钒工艺逐渐进入研究者的研究范围。1992年，谷志刚等[7]提出了新型粉末渗钒工艺，其以钒铁、氯化铵加氯化亚铜、型砂按比例混合配制的粉末渗钒剂，在920 ℃对Cr12MoV钢进行4~6 h渗钒处理。结果发现，渗钒层厚度可达10~20 μm，表面硬度可达1 800~3 000 HV0.1，并进行预测，当有足够硬度的基体相配合时，Cr12MoV钢表面耐磨性远远高于渗硼、渗氮和常规淬火等热处理工艺条件下的耐磨性指标。

2 盐浴渗钒

目前在快速发展的各种模具表面强化技术中，TD（Thermal Difusion）盐浴渗钒技术（热扩散法）因具有设备操作方便简单、环境污染小、成本低、渗层材料选择广泛、渗层均匀和硬度高等优点，被认为是Cr12MoV钢理想的表面改性强化技术[8-11]。而TD盐浴渗钒工艺的制定很大程度上取决于盐浴融盐的选择，TD盐浴处理的表面融盐主要分为硼砂盐浴、中性盐浴、混合盐浴三大类[12]。

2.1 硼砂盐浴渗钒

碳素钢与合金钢进行渗钒处理主要采用硼砂盐浴法，因硼砂盐浴法具有盐浴偏析小、融盐密度大等特点，且熔融状态的硼砂可在盐浴工艺温度下与碳素钢或合金钢表面的氧化物发生反应，故可以起到清洁材料表面的作用。同时，当材料表面的氧化物被清除后，又有利于热扩散的进行，促进渗钒层的形成，可以起到互相促进的作用[12]。

1979年，张振信等[13]对Cr12MoV钢进行硼砂盐浴渗钒处理，实验采用V2O5作为渗钒介质，在950 ℃条件下，对Cr12MoV钢进行4 h渗钒，其渗钒层厚度可达到10 μm左右，表面硬度为2 700 ~3 000 HV。这种渗钒技术有效地克服了以钒铁为渗剂所带来的成本高、粉碎困难的缺点。随着科技的进步，更多的检测手段被应用于渗钒热处理的检测中。2008年，刘秀娟等[14]采用电子探针、能谱仪和显微硬度计对TD盐浴渗钒层的化学成分和显微硬度进行测试分析。结果表明，随着温度的升高，渗钒层组织中的碳元素浓度略有降低，而钒元素浓度有所增加，这将导致渗钒层表面硬度的降低。2015年，万伟等[14]对Cr12MoV钢进行950 ℃×8 h硼砂盐浴渗钒处理后，对渗钒层组织和耐磨性能进行研究。实验得到较为均匀致密的渗钒层，其渗层厚度约为9 μm，表面硬度约为2 002 HV0.05，且渗层显微硬度相对原始试样提高了1.88倍。渗钒后试样磨损量减少71%，且渗钒层的摩擦因数明显降低，试样耐磨性得到明显提高。

2.2 中性盐浴渗钒

有大量实验结果表明，经硼砂盐浴渗钒处理后的试样表面存在融盐流动性较低、处理后试样表面的残盐较多且较难清洗、工艺参数要求温度过高等缺点。为了改进渗钒热处理的工艺参数，1999年，亓永新等[15]舍弃了常用的外热式坩埚盐浴炉，采用内热式电极盐浴炉对试件进行渗钒处理。实验在950℃温度条件下，对T12钢进行6 h中性盐浴渗钒处理，可获得约10~15 μm，表面硬度为2 000 ~3 000 HV的渗钒层。

2007年，周泽杰等[16]对Cr12MoV钢经中性盐浴渗钒处理后渗层的组织与性能进行了研究。实验在950 ℃温度条件下，对Cr12MoV钢进行4~6 h中性盐浴渗钒处理后，获得渗层厚度为12~20 μm、渗钒层硬度高达2 700~3 000 HV，且渗钒层具有连续性好、致密性高、厚度均匀、耐磨性高、摩擦系数小和抗粘着能力强等优点。

2.3 混合盐浴渗钒

随着硼砂盐浴渗钒工艺和中性盐浴渗钒热处理工艺在生产中得到广泛发展和应用的同时，科研工作者们结合二者各自优势，有效地将硼砂盐浴同中性盐浴的融盐成分按照一定的比例混合，形成了混合盐浴渗钒的表面化学热处理工艺。2005年，邹隽等[17]对Cr12MoV钢的TD法渗钒后渗钒层的组织与性能进行了研究。研究表明，在950 ℃对Cr12MoV钢保温1.5 h可获得厚度约5~7 μm，表面硬度达到1 800~2 200 HV0.02的渗钒层，渗钒层具有较高的耐磨性和较长的使用寿命。2007年，唐丽文等[18]对TD法盐浴渗钒进行研究，在980 ℃对Cr12MoV钢保温5 h后油淬和180 ℃保温2 h回火的TD盐浴渗钒处理后，可以形成厚度约为11.4 μm的渗钒层，表面硬度高达2 786 HV的渗钒层，Cr12MoV冷作模具钢的耐磨性能得到明显提高，使用寿命得到有效延长。

为提高渗钒的速率，减少能源消耗。2011年，孔向阳等[19]对Cr12MoV钢进行1 050 ℃× 8 h的混合盐浴渗钒处理，探讨了渗钒的工艺参数与渗层成分、组织与性能之间的关系。渗钒处理后获得了渗层厚度为7~12 μm，表面硬度达2 712 HV，且结构致密的渗钒层。实验表明，渗钒温度的升高能显著提高渗钒速率，增加碳化钒渗层厚度，且渗钒层具有较好的耐磨性能。2014年，辛荣等[20]研究了Cr12MoV钢在1 000 ℃对Cr12MoV钢进行6 h渗钒处理，得到了厚度约为8 μm的致密渗钒层，表面硬度达到1 800~2 700 HV，采用电化学技术研究其耐蚀性能发现，渗钒后试样耐蚀性比渗钒前提升了36%。

3 多元共渗

近年来，科研工作者着眼于采用渗钒等渗金属技术提高模具使用寿命的研究，在国内外均有大量的报导。而渗钒处理因存在渗钒层较薄，不能承受大负荷等缺点，所以科研工作者研究了既能够承受重荷，又能克服硼脆的缺点，还具有比渗硼层更高的硬度，更低的摩擦系数，更好的耐磨性的硼钒共渗新工艺[21]。1983年，张振信等[22]研究了硼钒共渗在模具上的应用。实验在970 ℃温度条件下对Cr12MoV钢进行4 h的硼钒共渗处理，硼钒共渗后其渗层厚度达到30~40 μm，硬度为1 850~2 290 HV，且具有较低的摩擦系数和良好的耐磨性、耐蚀性。

与单一渗金属相比，多元共渗的新相形核过程更复杂。如果某单一元素原子的相对饱和度大，吸附、扩散能力强，则渗层的性能以单渗该元素的作用为主，渗入其它元素的作用为辅。如果两种渗入元素相对饱和度相当，吸附、扩散能力相近，则渗层的性能接近于这两种元素单渗的结果[23]。钒的原子半径为0.192 nm，钛的原子半径为0.20 nm，碳化钛和碳化钒能形成无限互溶的固溶体，可以有效的将钛、钒共渗到Cr12MoV钢表面[24]。2014年，辛荣等[25]在单一渗钒、渗钛的基础上，在1 000 ℃对Cr12MoV钢进行6 h的钛钒共渗处理，并分析研究了Cr12MoV钢表面钒钛渗层形貌与组织结构。实验可获得厚度为10 μm的钛钒共渗层，渗层中存在碳化钛和碳化钒形成的固溶体，但是钛原子含量极少，钛钒共渗层表面硬度提高到2 647 HV0.3，断面硬度由集体表面向集体内部逐渐降低。

随着耐磨抗蚀、抗高温氧化零部件的广泛应用，钢表面渗金属工艺的发展越来越快。其中，渗铬、渗钒工艺发展尤为迅速[13, 26]。为了改善单一渗铬或渗钒层存在性能较差的缺点，学者们逐渐研究结合多元共渗优异性的铬钒共渗热处理工艺。1981年，张振信等[27]研究了Cr12MoV钢在960 ℃时进行4 h铬钒共渗处理后铬钒共渗层的组织和结构。获得厚度为17 μm，表面硬度为1 890~2 575 HV的铬钒共渗层，其渗层结构表面基本为碳化钒层，过渡区是以铬碳化物为主的铬钒碳化物的混合层。1993年，李杰等[28]在此基础上，研究了Cr12MoV钢在950 ℃对Cr12MoV钢进行2 h铬钒共渗处理后表面铬钒共渗层的组织结构和性能。实验可获得抗磨、耐蚀、抗高温氧化和热疲劳性能较好的铬钒共渗层，渗层厚度为16 μm，表面硬度为2 850 HV，铬钒共渗层主要相由VC、(Cr、Fe)7C3、Cr7C3、Cr23C6等组成。

近些年，稀土元素在表面化学热处理中的应用获得了迅速发展，国内外研究较多[29-33]。1996年，李杰等[34]研究了稀土元素在铬钒共渗过程中的作用。实验在950 ℃对Cr12MoV钢进行2 h铬钒共渗处理并采用稀土元素催渗，可获得厚度为25 μm，表面硬度为3 100 HV的稀土铬钒共渗层，其渗层具有较高的强韧性和耐磨抗蚀性能。实验表明，在铬钒共渗过程中，稀土元素具有明显的催渗作用。70年代初，日本新井透等[35-36]在以硼砂熔盐为基础，渗金属技术方面开展了许多研究工作，并在生产上取得较好的成就，类似的方法在我国获得了发展和应用[37-40]。1994年，刘磊等[41]研究了在以硼砂熔盐为基，稀土钒共渗的新工艺。在960 ℃对Cr12MoV钢进行4 h稀土钒共渗，可获得组织连续致密、高硬度、高耐磨且渗层厚度为7.4 μm，表面硬度为2 569~2 974 HV0.1的均匀共渗层组织。结果表明，在渗钒剂中添加适量稀土具有明显的催渗作用，盐浴稀土钒共渗层由碳化钒构成。

按照目前表面处理的发展趋势，将盐浴氮碳共渗与低温渗金属的手段结合起来的热处理工艺变得尤为重要。利用V、Ti、Cr等元素与碳、氮元素一起在低温盐浴条件下进行共渗，从而提高模具的耐磨性和抗疲劳性能。根据文献[42]可知，在各种渗金属工艺中，渗钒处理所得渗层的耐磨性最佳。因此科研工作者们提出了将渗钒工艺与低温盐浴氮碳共渗相结合的三元共渗方案。2006年，李延辉等[43]采用氮碳共渗基盐作为盐浴的主要部分，对Cr12MoV钢在不同工艺下共渗试验的结果进行分析，确定了570 ℃为氮碳钒共渗最佳温度，共渗时间为2~4 h。共渗过程中，随着盐浴中含钒量的增大，碳钢经共渗后的硬度先显著增大，然后逐渐平缓，渗层深度也随含碳量的增加而增加。

4 双辉等离子渗钒

随着模具工业的迅速发展，人们对模具的表面质量和寿命的重视程度也在相应的提高。实验研究表明，利用等离子渗氮热处理工艺可以大幅度提高模具的表面硬度和耐磨性能。随着双辉等离子渗金属技术在模具钢工件表面的广泛应用，越来越多的表面强化技术被研究者们尝试。

2013年，张涛等[44]在优化等离子渗氮工艺的基础上，进行了Cr12MoV钢离子渗钒技术的研究，实验采用双辉等离子技术在950 ℃对Cr12MoV钢进行4 h表面渗钒处理，实验获得具有优良性能的渗层，其渗层厚度为8~10 μm，且渗层表面硬度可达到1 900 HV，其耐腐蚀性和使用寿命得到了明显提高。

5 展望

随着科技的不断进步，传统渗钒工艺已不能满足实际生产的需求，这就需要科研工作者们不断地探索新的渗钒技术。在专家学者们不断探索下，Cr12MoV钢渗钒工艺逐渐走向成熟，渗钒层厚度变化较小，工件的硬度、耐磨性、抗腐蚀性和使用寿命得到了保证。在保证渗钒效果的同时，人们逐渐将设计重心转移到高质、经济及绿色环保的新型多元共渗的渗钒工艺上来，这将是科研工作者们在未来一段时间内的研究发展方向。

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责任编校：刘亚兵

Research Progress of Vanadizing Process of Cr12MoV Steel

GUO Lin-long, ZHAO Zuo-fu, SHAN Dong-dong, LI Xin, HUO Bao-yang, BO Hai-yang

（Materials Science and Engineering College, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

Cr12MoV is ledeburite type steel with high-carbon and high-chromium, and it has been widely used in the cold working die steel. By the appropriate surface treatment process, its hardness, and wear and corrosion resistance can be improved, and the service life can be prolonged. In this paper, surface vanadizing treating technology of Cr12MoV steel is summarized, and the surface and structure property in the internal changes of Cr12MoV steel treated by various programs are listed and reviewed. Furthermore, the development tendency of surface treating technologies for Cr12MoV steel is also evaluated.

Cr12MoV steel; mechanical properties; vanadizing

10.15916/j.issn1674-3261.2017.03.007

TG161

A

1674-3261(2017)03-0165-04

2016-09-14

国家自然科学基金（51354001）；辽宁省高等学校创新团队项目（LT2013014）；辽宁省教育厅重点实验室基础研究项目（LZ2014031）；辽宁工业大学博士启动基金（X006）

郭林龙(1994-)，男，广西柳州人，本科生。赵作福(1978-)，男，辽宁锦州人，高级实验师，博士。