Cr12MoV冷作模具钢渗硼工艺的研究进展

李 鑫，赵作福，薄海洋，单东栋，郭林龙，霍宝阳



Cr12MoV冷作模具钢渗硼工艺的研究进展

李 鑫，赵作福，薄海洋，单东栋，郭林龙，霍宝阳

（辽宁工业大学 材料科学与工程学院，辽宁 锦州 121001）

Cr12MoV是高碳高铬类莱氏体钢，由于其硬度较高、稳定性和抗弯强度良好，在冷作模具钢中被人们广泛使用，适当的表面处理工艺可以进一步提高其使用性能，延长其使用寿命。概述了Cr12MoV钢渗硼工艺的研究进展及发展趋势，希望对材料领域学者们的研究有一定的借鉴意义。

Cr12MoV钢；使用性能；渗硼

Cr12MoV钢是一种应用广泛的冷作模具钢，具有良好的耐磨性和淬透性，经淬火处理后其表面硬度为50～60 HRC，广泛应用于制造大截面、形状复杂的各种冷冲模具和工件。但Cr12MoV钢在工作过程中易出现磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损等破坏形式[1-2]，而发生失效，影响其使用寿命。因此，利用表面化学热处理处理技术来提高Cr12MoV钢硬度和耐磨性能是可行的[3-4]。

为了提高Cr12MoV钢表面硬度和使用寿命，人们通常采用渗硼处理工艺改善其耐磨性能，经渗硼处理后其表面硬度可达到800～1 200 HV，具有良好的热硬性、耐磨损和抗腐蚀等性能[5]。常用渗硼工艺包括固体渗硼、盐浴渗硼、电解法渗硼等。

1 渗硼工艺

1.1 固体渗硼

固体渗硼尤其是固体粉末渗硼工艺具有操作过程简单，渗硼后工件不需清洗，渗剂重复使用性好，成本低廉，并且渗硼层厚度与组织可得到有效控制，因此，固体渗硼被人们广泛使用。但粉末固体渗硼层脆性大、容易剥落，严重影响了工件的耐磨性，缩短了工件的使用寿命[6-9]。国内专家学者在改善工件渗硼层脆性方面做了大量的研究。1984年，舒士明[10]等对Cr12MoV冷作模具钢进行粉末固体渗硼处理，试验参数为570 ℃×3 h，940±10 ℃渗硼6 h炉冷至室温。渗硼处理后的试样硬度达到1 097 HV，渗层深度达到0.053 mm，与未经渗硼处理的模具相比，其使用寿命提高了3~4倍。2001年，叶宏等[11]采用了固体粉末渗硼法对Cr12MoV钢渗硼的淬火复合工艺进行研究，得出Cr12MoV钢固体粉末渗硼工艺以930 ℃×5 h为佳。2003年，汤光平等[12]对Cr12MoV钢进行表面渗硼改性处理，得出Cr12MoV钢渗硼处理后渗硼层的脆性属剥落脆性，但并未深入探究如何降低工件在渗硼过程中产生的脆性。2005年，张菁等[13]结合以上两种研究，采用不同渗剂对 Cr12MoV钢进行表面改性处理，分析了渗层表面脆性与敏感脆性。结果表明，粉末渗硼试样的耐磨性优于膏剂渗硼试样，当渗硼层表层脆性敏感性增加，耐磨性呈下降趋势。经930℃×5 h渗硼处理后，渗硼层的显微硬度达到1 300 HV，渗硼层厚度达到70 μm，耐磨性能良好。2006年，郝少祥等[14]采用正交试验方法，对Cr12MoV钢渗硼工艺进行优化，确定了最佳渗硼工艺参数为950 ℃×5 h，稀土的最佳加入量为0.3 wt%。优化工艺试样的渗硼层较厚且致密，疏松和空洞较少，硬度压痕完整，渗层脆性较低，渗层前沿较齐整。再经970 ℃淬火+200 ℃回火处理,试样渗层的耐磨性得到大幅度提高。2008年，郝少祥等[15]又研究了Cr12MoV钢渗硼层中各种元素含量的变化。结果表明，Cr12MoV钢渗硼层中存在B、C、Al、Cr、Si、Fe、Mo、V、Mn等元素，其中B及C、Al、Cr含量分别在表层和过渡区出现峰值，Al和Si主要存在于缺陷处和富碳区中，Fe在硼化物层含量略低于过渡层和心部，Mo几乎无变化，且渗硼层中没有稀土元素渗入。由此可以看出，稀土可以提高渗层的韧性并降低脆性。2011年，陈树旺[16]等采用900～930 ℃淬火的工艺对固体渗硼技术的应用进行研究，使用自制渗硼剂可使渗速达到0.018 mm/h，而且环境友好，成本低廉。2014年，朱春晖等[17]采用自制稀土粉末渗硼剂在900 ℃下对淬火态Cr12MoV钢进行9 h稀土硼共渗处理，试样表面硬度达到1243.1 HV0.1。用此试样与Al2O3陶瓷球对磨，结果表明，磨损量仅为渗硼前的36.2%，耐磨性得到大幅度提高。

1.2 盐浴渗硼

与固体渗硼工艺相比，盐浴渗硼工艺可通过调整渗剂配比来控制渗层的组织结构、深度和硬度，且渗硼速度快，因此在工业生产中应用广泛[18]。1981年，E. Filep等[19]提出盐浴渗硼后最佳的二次热处理工艺为200 ℃回火，且在一定温度和时间范围内，渗硼层深度随时间的增长呈直线性变化。1989年，韩文祥[20]等提出了感应加热盐浴法渗硼工艺，渗硼速度是普通盐浴法渗硼速度的3倍。1984年，日本人涉谷佳男等[21]采用40%K2B4O7·5H2O+20%H3BO3+15%NaF+15%K2CO3+10%Mg的盐浴成分，温度800~950 ℃、保温时间为1~5 h的热处理工艺，获得了16 μm的渗硼层，但渗硼后试样内孔粗糙度和椭圆度都有所增大。为了解决这一问题，2014年，谢春洋等[22]采用盐浴-激光淬火工艺对Cr12MoV进行渗硼处理，渗硼层深度约为55 μm。激光淬火后Cr12MoV钢渗硼层表面孔洞明显减少，组织得到细化，韧性和强度有所提高。次年，谢春洋等[23]对Cr12MoV钢渗硼后的组织与性能分析进行了深入研究。结果表明，渗硼处理后试样表面残余应力由拉应力变为压应力，可降低渗硼层裂纹扩展倾向。同年，王文昌等[24]采用盐浴温度1 000 ℃，保温6 h后+油淬+180 ℃回火2 h的渗硼工艺，所得试样渗硼层以FeB物相为主，产生了Fe2B、Fe-Cr和Cr2B等物相，降低了渗硼层脆性。激光淬火后渗硼层平均摩擦系数和磨痕深度分别下降了20%和24.6%，磨损形式由剥落磨损转变为磨粒磨损，大大提高了试样的耐磨性能。

1.3 电解渗硼

电解法渗硼工艺设备简单、价格低廉、渗硼速度快、渗层厚度和渗层的相组成可控性高，自1934年问世以来发展迅速，多用于模具和耐磨耐蚀工件[25]。1997年，郭忠诚等[26]研究了低温电解渗硼的工艺及性能，采用85~90% B2O3+5~10%冰晶石+3~5% KBF4为电解渗硼的盐浴，不锈钢或钛板为阳极材料，试样为阴极材料，经1 100 ℃×12~30 min加热+淬火+600~620 ℃×2 h回火后空冷处理。结果表明，渗硼层的厚度随电解时间的延长而缓慢增大。经X射线衍射分析得到，在低温条件下，渗硼层的组织主要由FeB和Fe2B组成。2014年，吴晔康等[27]通过正交试验的方法考察了电流密度、占空比、渗硼温度、时间及硼砂等因素对渗硼层厚度的影响。结果表明，最优工艺参数为渗硼温度850 ℃、占空比20%、渗硼时间90 min、熔盐摩尔配比NaCl∶KCl∶NaF∶Na2B4O7=1∶1∶3∶0.04，试样渗硼层深度达到87.4 μm，渗层组织细致紧密。

1.4 复合渗硼

与传统的单一渗硼工艺相比，复合渗硼工艺可以显著提高渗硼层的显微硬度、脆性和耐磨性能。1987年，李启中等[28]提出了盐浴硼钒共渗工艺，试验渗剂主要为硼砂、五氧化二钒和铝粉等，试验温度为900~950 ℃。结果表明，试样共渗层厚度可达到120 μm，表面硬度在HF0.11590~2 027之间。温度达到900～950 ℃时，盐浴硼钒共渗能获得由VC相和Fe2B相组成的双相共渗层，渗层厚度增加的同时又抑制了脆性FeB相的生长。随着VC相数量增加，渗层表面硬度和致密性都得到提高。

为了进一步提高渗硼处理后试样表面的耐磨性，1992年，赵庆等[29]使用粉末渗剂对模具钢进行硼钒共渗处理。渗剂主要成分为硼铁合金、钒铁合金、氟硼酸钾、碳化硅及氯化铵，加工工艺为温度900~1 000 ℃，保温时间5~6 h、空冷，随后进行淬火及低温回火处理，对共渗处理后的试样进行了表面性能分析。结果表明，经硼钒共渗处理后试样的耐磨性比传统渗硼试样提高1.6倍，疲劳寿命明显增加；硼钒共渗层组织致密、齿形突出、与基体结合良好。在试验条件范围内，由Fe2B和VC组成的共渗层深度达到80~165 μm、硬度为1 360~1 818 HV。2004年，张建彬等[30]采用 5%氧化镧稀土和3%铬粉作为催渗剂，在900 ℃×5 h条件下进行硼铬共渗试验。结果表明，经稀土催渗试样渗硼层中硼化物的形核率以及硼原子扩散速度都得到明显提高，同时固溶在共渗层中的稀土和铬延缓了裂纹的萌生和扩展[31]，试样的显微组织和显微硬度都得到改善，尤其耐磨性得到显著提高。

1.5 蔓延高温渗硼

自蔓延高温渗硼共晶化处理是以强放热的化学反应体系作为热源，利用化学反应所释放出的高能化学热对工件进行快速加热，通过渗硼介质与工件表面的相互作用，直接在工件表面形成具有共晶组织的渗硼层。2000年，叶荣昌等[32-33]对自蔓延高温渗硼共晶化进行了研究。使用以B4C为主要原料的糊膏剂涂于工件表面，将工件放入铝热反应堆中进行渗硼处理。结果表明，自蔓延高温渗硼共晶化处理可在极短的时间内（十几秒到几十秒）在工件表面形成一层厚度均匀的共晶组织渗硼层，且渗层厚度可以控制，最厚可达150 μm左右。同时，该工艺采用反应式加热，无需专门的加热设备，不受工件大小形状的限制，尤其适用于大型工件的局部处理，且工艺操作简单，应用前景十分可观。

2 展望

随着模具工业的逐步发展，人们对冷作模具钢开始有了更高的性能需求，热处理工艺仍然需要不断优化，才能更有效地提高工业产品的各项性能，延长使用寿命，从而满足国内各行业发展所需。渗硼处理工艺在工业生产中应用十分广泛，科研工作者们仍不断对其进行研究和改进。在传统渗硼工艺的基础上，人们开始了对电解渗硼处理技术的进一步探索；多元复合共渗处理工艺逐渐成熟的同时，目前兴起的蔓延高温渗硼也得到的学者们的广泛关注。总之，作为一种适应性强且应用广泛的热处理工艺，渗硼处理工艺必将得到更进一步的发展来适应人们更多的需求。

[1] 曹光明. 提高Cr12MoV钢模具寿命的热处理工艺[J]. 热加工工艺, 2004(10):46-48.

[2] 佘丁顺, 岳文，付志强，等. 超声冷锻对Cr12MoV 钢渗氮组织与性能的影响[J]. 热处理学报, 2013, 34(7): 129-135.

[3] 吴晓峰, 马坤, 徐娜, 等. Cr12MoV模具钢应用的主要问题与热处理研究进展[J]. 模具工业, 2009, 35(9): 55-61.

[4] 张强, 赵作福, 齐锦刚, 等. Cr12MoV冷作模具钢渗氮工艺的研究进展[J]. 辽宁工业大学学报: 自然科学版, 2016, 36(2): 122-126.

[5] 马永青, 孙伟. 硅铁稀土对Cr12MoV模具钢组织和性能的影响[J]. 铸造技术, 2014, 35(7): 1447-1449.

[6] Shi W, Wang J L, Wang Z, et al. Surface treatment of Cr12MoV steel towards long-life cold-work dies[J]. Transactions of Materi-als and Heat Treatment, 2004, 25(5): 837-840.

[7] Kartal G., Timur S., Sista V.. The growth of Fe2B phase on low carbon steel via phase homogenization in electrochemical boriding （PHEB）[J]. Surface & Coatings Technology, 2011, 206(7): 2005-2011.

[8] Balogh J, Bujdoso L, Kemeny T. Diffusion amorphization and interface properties of Fe-B multi-layers[J]. Apply Phys, 1997, 65: 23-27.

[9] Lee Sang Yul Kin, Gwang Seek Kim, Bum-Suk. Mechanical properties og duplex layer for medon AISI403 stainness steel by chromizing and boranizing treatment[J]. Surface & Coatings Technology, 2014(1): 177-178.

[10] 舒士明, 李子豫, 徐钢. 固体渗硼技术应用在冷作模具上的试验研究[J]. 安徽工学院学报, 1984(1): 66-75, 108.

[11] 叶宏, 李晖. Cr12MoV钢渗硼-淬火复合工艺研究[J]. 四川兵工学报, 2001, 22(4): 25-27.

[12] 汤光平, 黄文荣, 周文凤. 渗硼层脆性及其控制措施[J]. 材料保护, 2003, 36(3): 57-59.

[13] 张菁, 董仕节, 黄伦. Cr12MoV钢渗硼层脆性与耐磨性研究[J]. 湖北汽车工业学院学报, 2005, 19(2): 16-19.

[14] 郝少祥, 孙玉福, 杨凯军. Cr12MoV钢渗硼工艺及渗层的组织与性能[J]. 金属热处理, 2006, 31(7): 67-71.

[15] 郝少祥, 王玉平. Cr12MoV钢渗硼层中各种元素含量的变化[J]. 河南工程学院学报: 自然科学版, 2008, 20(1): 44-47.

[16] 陈树旺, 陈卫东. 固体渗硼技术的研究与应用[J]. 热处理, 2011, 26(3): 1-8.

[17] 朱春晖, 王宏宇, 陈炜, 等. 低温稀土渗硼对淬火态Cr12MoV钢耐磨性的影响[J]. 热加工工艺, 2014, 43(8): 223-225.

[18] 姜信昌, 王健安, 韩文祥, 等. 气体渗硼工艺研究[J]. 金属热处理, 1989(3): 11-16.

[19] Filep E, 刘延风. 盐浴渗硼研究的新成果[J]. 金属热处理, 1981(12): 31-32.

[20] 韩文祥, 姜信昌. 感应加热盐浴渗硼[J]. 金属热处理, 1989(11):57-59.

[21] 涉谷佳男, 木村啓造, 徐安达. 高碳钢盐浴渗硼[J]. 国外金属热处理, 1985(3): 35-42.

[22] 谢春洋, 孔德军. 激光淬火后Cr12MoV钢渗硼层界面形貌与能谱分析[J]. 材料热处理学报, 2015, 36(4): 200-205.

[23] 谢春洋, 孔德军. Cr12MoV钢渗硼后的组织与性能分析[J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2015, 20(4): 609-615.

[24] 王文昌, 谢春洋, 孔德军. 激光淬火对Cr12MoV钢渗硼层摩擦与磨损性能的影响[J]. 常州大学学报: 自然科学版, 2015, 27(4): 47-52.

[25] 孙达, 孟繁中. 电解渗硼的研究[J]. 金属热处理, 1985(4):48-52.

[26] 郭忠诚, 杨显万, 刘鸿康, 等. 低温电解渗硼的工艺及性能研究[J]. 有色金属, 1997, 49(2): 44-46.

[27] 吴晔康, 杨海丽, 徐宏, 等. 熔盐电解法渗硼工艺的优化[J]. 电镀与精饰, 2014, 36(11): 24-27.

[28] 李启中, 曾昭炯, 张小燕, 等. 盐浴硼钒共渗的组织和性能[J]. 贵州工学院学报, 1987(3): 116-119.

[29] 赵庆, 苏美容, 齐树敏. 硼矾共渗工艺在模具上的应用[J]. 西南石油学院学报, 1992, 14(1): 44-47.

[30] 张建彬, 李世岩. 45钢硼-稀土-铬共渗层组织和性能的研究[J]. 矿冶工程, 2004, 24(3): 78-80.

[31] 项东, 许斌. 钢的稀土硼铬共渗层耐磨损性能的研究[J]. 表面技术, 2003, 32(4): 22-24.

[32] 叶荣昌, 葛长路. 自蔓延高温渗硼共晶化的研究[J]. 热加工工艺, 2000(1): 21-24.

[33] 邢志松, 王宝平. 渗硼工艺试验及应用[J]. 金属热处理, 2013, 38(8): 99-102.

责任编校：刘亚兵

Research Progress of Die Steel Boriding Process of Cr12MoV Steel

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

（Material 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 due to its high hardness, good stability, and high flexural strength. By the appropriate surface treatment, its performance can be improved, and the service life can be prolonged. In this paper, the progress and development trends of Boriding process of Cr12MoV steel have been introduced, and expect providing special reference for the research workers.

Cr12MoV steel; performance; boriding

10.15916/j.issn1674-3261.2017.03.008

TG161

A

1674-3261(2017)03-0169-04

2016-12-06

国家自然科学基金（51354001）；辽宁省高等学校创新团队项目（LT2013014）；辽宁省教育厅重点试验室基础研究项目（LZ2014031）

李 鑫(1995-)，男，辽宁朝阳人，本科生。赵作福(1978-)，男，辽宁锦州人，高级实验师，博士