铝合金H21钢挤压模热处理工艺研究

谭赞良，陈向荣，何孝美

1.郴州职业技术学院 湖南郴州 423000

2.丰利热处理有限公司 湖南郴州 423000

1 序言

铝合金挤压模不仅需要具有较高的硬度，还需要具有良好的耐磨性和抗咬合性能。此外，由于铝合金在挤压成形时模具温度一般在450～550℃，所以模具还需要具有良好的热硬性，因此铝合金挤压模的使用寿命一般较低。如铝合金型材H21钢挤压模（凹模尺寸为φ110mm×45mm，凸模尺寸为φ106mm×35mm），采用常规热处理工艺（淬火+回火），一般在挤压型材2000～3000m后，模具表面便出现拉毛现象，需修复后才能使用，模具使用寿命短，生产效率低。因此，如何提高铝合金挤压模的耐磨性、抗咬合性和热硬性是亟需解决的问题。通过反复试验，发现采用硫-碳-氮三元共渗工艺，特别是真空硫-碳-氮三元共渗工艺，可以很好地提高铝合金挤压模的耐磨性、抗咬合性和热硬性，从而大大提高模具使用寿命。

2 硫-碳-氮三元共渗工艺

铝合金型材H21钢挤压模经过淬火、回火后，进行硫-碳-氮三元共渗处理[1]。三元共渗时先渗氮，在形成高硬度的渗氮层后，再进行硫-碳-氮三元共渗，共渗时混合气体中氨气、乙醇与CS2的体积比为75 : 2 : 1。通过硫-碳-氮三元共渗处理，可在模具表面形成高硬度的渗氮层，以及具有减磨、润滑作用的硫化物层，从而提高铝合金挤压模的耐磨性、抗咬合性和热硬性[2]。通过硫-碳-氮三元共渗处理后，H21钢铝合金型材挤压模可挤压型材20000m以上，其热处理工艺如图1所示。

图1 铝合金型材H21钢挤压模硫-碳-氮三元共渗热处理工艺

3 真空硫-碳-氮三元共渗工艺

真空硫-碳-氮三元共渗是一种在真空状态下进行的热处理工艺[3]，通过真空硫-碳-氮三元共渗，可以很好地提高铝合金挤压模的耐磨性、抗咬合性和热硬性，从而大大提高铝合金挤压模的使用寿命。由于真空对模具表面有净化作用，有利于硫、碳、氮原子被钢件表面吸收，因此可增加共渗速度。另外，在真空加热中，气体分子的自由能增大，气体扩散迅速，也可增加共渗速度，因此采用真空共渗可以缩短共渗时间，提高共渗效果。由于铝合金型材挤压模形状较复杂，所以采用脉冲式真空三元共渗工艺进行。

铝合金型材挤压模真空硫-碳-氮三元共渗工艺过程如下。

3.1 清洗、装炉

先对铝合金型材挤压模进行清洗，去除表面的油污、脏垢，然后将模具单层辅放在不锈钢网上，各层网之间用不锈钢框架隔开，并与料框捆牢，最后装入真空炉内。

3.2 淬火、回火

1）装炉完毕后真空炉开始抽真空，当真空度达到1.3×102Pa左右时将真空炉通电加热，并且同时继续抽真空，直到真空度为1.3Pa。

2）加热到850℃左右, 真空度为1.3Pa，保温1h，对模具进行预热。

3）继续加热到1100℃，真空度为25Pa，保温0.5h，对模具进行加热。

4）通入氮气冷却，对模具进行淬火。

5）加热到570℃，真空度为500P a，保温2h后，通入氮气冷却，对模具进行回火。

3.3 真空硫-碳-氮三元共渗

真空硫-碳-氮三元共渗介质为氨气、乙醇和CS2，为获得良好的渗层组织，必须控制好CS2的通入量，这是因为过厚的渗层、过高的硫含量，都会使渗层脆性增大，易产生剥落，同时过量的硫化物会阻止碳、氮的渗入，使共渗速度减慢。另外，硫化物虽然具有减磨、润滑作用，但与基体的结合力差，只有附着在高硬度的基体上，才能充分发挥硫化物的减磨、润滑作用。因此，采用先渗氮，在形成高硬度的渗氮层后，再进行硫-碳-氮三元共渗，共渗时混合气体中氨气、乙醇与CS2的体积比为75 :2 : 1。

1）加热到520～540℃，真空度为1.3Pa，保温0.5h，对模具进行预热。

2）温度保持在520～540℃，通入氨气，真空度为500Pa时，停止介质供应，停止抽真空，保持炉内压力不变并维持适当时间，在此时间内模具渗氮；之后抽真空，使炉内废气排出并得到较高的真空度（60Pa），在此时间内氮自模具表面向内扩散。

如此，送气、抽气交替进行（脉冲），模具的渗氮与氮向内层扩散同时进行，一般需1h才可形成高硬度的渗氮层。

3）温度保持520～540℃，通入混合气体，进行脉冲硫-碳-氮三元共渗，方法与上述相同，一般需0.5h才可使硫化物很好地附着在渗氮层表面，形成硫化层。

4）通入氮气进行冷却。

硫-碳-氮三元共渗后，渗层厚度为0.2 ～0.25mm，硫化层厚度为14μm。当模具温度达到650℃时，模具硬度虽然会有所下降，但由于渗层硬度很高，只有当模具温度达到750℃时，表面硬度才会降至48～52HRC。

4 铝合金21H钢挤压模热处理工艺

铝合金H21钢挤压模热处理工艺如图2所示，真空硫-碳-氮三元共渗真空度控制曲线如图3所示。

图2 铝合金型材H21钢挤压模热处理工艺

图3 真空硫-碳-氮三元共渗真空度控制曲线

铝合金型材挤压模采用真空硫-碳-氮三元共渗工艺后，模具具有很好的耐磨性、抗咬合性和热硬性，模具使用寿命有了很大地提高，可挤压型材10万m以上。

5 结束语

通过采用硫-碳-氮三元共渗工艺，特别是真空硫-碳-氮三元共渗工艺，铝合金H21钢挤压模的耐磨性、抗咬合性和热硬性有了很大地提高，从而大大延长了模具的使用寿命。采用真空硫-碳-氮三元共渗后，铝合金H21钢挤压模的使用寿命是常规热处理工艺的40～50倍。