郭林龍，趙作福，單東棟，李 鑫，霍寶陽，薄海洋

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Cr12MoV鋼滲釩工藝的研究進展

郭林龍，趙作福，單東棟，李 鑫，霍寶陽，薄海洋

（遼寧工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

Cr12MoV是高碳高鉻類萊式體鋼，在冷作模具鋼中得到廣泛使用，適當?shù)谋砻鏌崽幚砉に嚳梢杂行岣咂溆捕?、耐磨性、抗腐蝕性，延長其使用壽命。概述了Cr12MoV鋼表面滲釩的化學(xué)熱處理工藝，以及不同工藝處理下Cr12MoV鋼的微觀組織結(jié)構(gòu)和性能的改變，闡述了Cr12MoV鋼化學(xué)熱處理的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。

Cr12MoV鋼；力學(xué)性能；滲釩

Cr12MoV鋼具有耐磨性高、淬硬性大、淬透性好、韌性強、回火穩(wěn)定性好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于制造截面較大、工作負荷較重、形狀復(fù)雜的各種模具[1-2]。但Cr12MoV鋼在生產(chǎn)過程中存在大量的碳化物，且成分偏析嚴重，常常導(dǎo)致模具的早期失效，從而降低模具的使用壽命[3]。

化學(xué)熱處理工藝可以大幅度提高Cr12MoV鋼的耐磨耐蝕性能，延長工件的使用壽命，在模具鋼的表面處理方面得到廣泛應(yīng)用[4]。其中滲釩處理是Cr12MoV鋼化學(xué)熱處理中較常見的方法之一。表面滲釩具有設(shè)備簡單、操作方便、滲速快、易于推廣等優(yōu)點，備受科研工作者們關(guān)注。目前，常用的滲釩方法有固體滲釩、鹽浴滲釩、雙輝等離子滲釩、多元共滲等。滲釩工藝所形成的滲釩層在常溫下具有穩(wěn)定性好和抗磨損能力強等優(yōu)點，在Cr12MoV鋼的模具和工件的表面強化中應(yīng)用效果良好，但是表面滲釩處理工藝受滲釩溫度、保溫時間和滲劑配比及使用次數(shù)等參數(shù)的影響[5]，為此科研工作者們不斷探索Cr12MoV鋼滲釩的新工藝。

1 固體滲釩

1984年，孫希泰等[6]在900~950 ℃條件下，對Cr12MoV鋼進行4~6 h的固體滲釩，其滲釩層厚度可達到10~15 μm，表面硬度為2 000~3 700 HV，且滲釩后制作的重負荷模具（如沖頭等）具有耐磨性高、脆性低等優(yōu)點，使用壽命提高15倍以上。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和時代的進步，粉末固體滲釩工藝逐漸進入研究者的研究范圍。1992年，谷志剛等[7]提出了新型粉末滲釩工藝，其以釩鐵、氯化銨加氯化亞銅、型砂按比例混合配制的粉末滲釩劑，在920 ℃對Cr12MoV鋼進行4~6 h滲釩處理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，滲釩層厚度可達10~20 μm，表面硬度可達1 800~3 000 HV0.1，并進行預(yù)測，當有足夠硬度的基體相配合時，Cr12MoV鋼表面耐磨性遠遠高于滲硼、滲氮和常規(guī)淬火等熱處理工藝條件下的耐磨性指標。

2 鹽浴滲釩

目前在快速發(fā)展的各種模具表面強化技術(shù)中，TD（Thermal Difusion）鹽浴滲釩技術(shù)（熱擴散法）因具有設(shè)備操作方便簡單、環(huán)境污染小、成本低、滲層材料選擇廣泛、滲層均勻和硬度高等優(yōu)點，被認為是Cr12MoV鋼理想的表面改性強化技術(shù)[8-11]。而TD鹽浴滲釩工藝的制定很大程度上取決于鹽浴融鹽的選擇，TD鹽浴處理的表面融鹽主要分為硼砂鹽浴、中性鹽浴、混合鹽浴三大類[12]。

2.1 硼砂鹽浴滲釩

碳素鋼與合金鋼進行滲釩處理主要采用硼砂鹽浴法，因硼砂鹽浴法具有鹽浴偏析小、融鹽密度大等特點，且熔融狀態(tài)的硼砂可在鹽浴工藝溫度下與碳素鋼或合金鋼表面的氧化物發(fā)生反應(yīng)，故可以起到清潔材料表面的作用。同時，當材料表面的氧化物被清除后，又有利于熱擴散的進行，促進滲釩層的形成，可以起到互相促進的作用[12]。

1979年，張振信等[13]對Cr12MoV鋼進行硼砂鹽浴滲釩處理，實驗采用V2O5作為滲釩介質(zhì)，在950 ℃條件下，對Cr12MoV鋼進行4 h滲釩，其滲釩層厚度可達到10 μm左右，表面硬度為2 700 ~3 000 HV。這種滲釩技術(shù)有效地克服了以釩鐵為滲劑所帶來的成本高、粉碎困難的缺點。隨著科技的進步，更多的檢測手段被應(yīng)用于滲釩熱處理的檢測中。2008年，劉秀娟等[14]采用電子探針、能譜儀和顯微硬度計對TD鹽浴滲釩層的化學(xué)成分和顯微硬度進行測試分析。結(jié)果表明，隨著溫度的升高，滲釩層組織中的碳元素濃度略有降低，而釩元素濃度有所增加，這將導(dǎo)致滲釩層表面硬度的降低。2015年，萬偉等[14]對Cr12MoV鋼進行950 ℃×8 h硼砂鹽浴滲釩處理后，對滲釩層組織和耐磨性能進行研究。實驗得到較為均勻致密的滲釩層，其滲層厚度約為9 μm，表面硬度約為2 002 HV0.05，且滲層顯微硬度相對原始試樣提高了1.88倍。滲釩后試樣磨損量減少71%，且滲釩層的摩擦因數(shù)明顯降低，試樣耐磨性得到明顯提高。

2.2 中性鹽浴滲釩

有大量實驗結(jié)果表明，經(jīng)硼砂鹽浴滲釩處理后的試樣表面存在融鹽流動性較低、處理后試樣表面的殘鹽較多且較難清洗、工藝參數(shù)要求溫度過高等缺點。為了改進滲釩熱處理的工藝參數(shù)，1999年，亓永新等[15]舍棄了常用的外熱式坩堝鹽浴爐，采用內(nèi)熱式電極鹽浴爐對試件進行滲釩處理。實驗在950℃溫度條件下，對T12鋼進行6 h中性鹽浴滲釩處理，可獲得約10~15 μm，表面硬度為2 000 ~3 000 HV的滲釩層。

2007年，周澤杰等[16]對Cr12MoV鋼經(jīng)中性鹽浴滲釩處理后滲層的組織與性能進行了研究。實驗在950 ℃溫度條件下，對Cr12MoV鋼進行4~6 h中性鹽浴滲釩處理后，獲得滲層厚度為12~20 μm、滲釩層硬度高達2 700~3 000 HV，且滲釩層具有連續(xù)性好、致密性高、厚度均勻、耐磨性高、摩擦系數(shù)小和抗粘著能力強等優(yōu)點。

2.3 混合鹽浴滲釩

隨著硼砂鹽浴滲釩工藝和中性鹽浴滲釩熱處理工藝在生產(chǎn)中得到廣泛發(fā)展和應(yīng)用的同時，科研工作者們結(jié)合二者各自優(yōu)勢，有效地將硼砂鹽浴同中性鹽浴的融鹽成分按照一定的比例混合，形成了混合鹽浴滲釩的表面化學(xué)熱處理工藝。2005年，鄒雋等[17]對Cr12MoV鋼的TD法滲釩后滲釩層的組織與性能進行了研究。研究表明，在950 ℃對Cr12MoV鋼保溫1.5 h可獲得厚度約5~7 μm，表面硬度達到1 800~2 200 HV0.02的滲釩層，滲釩層具有較高的耐磨性和較長的使用壽命。2007年，唐麗文等[18]對TD法鹽浴滲釩進行研究，在980 ℃對Cr12MoV鋼保溫5 h后油淬和180 ℃保溫2 h回火的TD鹽浴滲釩處理后，可以形成厚度約為11.4 μm的滲釩層，表面硬度高達2 786 HV的滲釩層，Cr12MoV冷作模具鋼的耐磨性能得到明顯提高，使用壽命得到有效延長。

為提高滲釩的速率，減少能源消耗。2011年，孔向陽等[19]對Cr12MoV鋼進行1 050 ℃× 8 h的混合鹽浴滲釩處理，探討了滲釩的工藝參數(shù)與滲層成分、組織與性能之間的關(guān)系。滲釩處理后獲得了滲層厚度為7~12 μm，表面硬度達2 712 HV，且結(jié)構(gòu)致密的滲釩層。實驗表明，滲釩溫度的升高能顯著提高滲釩速率，增加碳化釩滲層厚度，且滲釩層具有較好的耐磨性能。2014年，辛榮等[20]研究了Cr12MoV鋼在1 000 ℃對Cr12MoV鋼進行6 h滲釩處理，得到了厚度約為8 μm的致密滲釩層，表面硬度達到1 800~2 700 HV，采用電化學(xué)技術(shù)研究其耐蝕性能發(fā)現(xiàn)，滲釩后試樣耐蝕性比滲釩前提升了36%。

3 多元共滲

近年來，科研工作者著眼于采用滲釩等滲金屬技術(shù)提高模具使用壽命的研究，在國內(nèi)外均有大量的報導(dǎo)。而滲釩處理因存在滲釩層較薄，不能承受大負荷等缺點，所以科研工作者研究了既能夠承受重荷，又能克服硼脆的缺點，還具有比滲硼層更高的硬度，更低的摩擦系數(shù)，更好的耐磨性的硼釩共滲新工藝[21]。1983年，張振信等[22]研究了硼釩共滲在模具上的應(yīng)用。實驗在970 ℃溫度條件下對Cr12MoV鋼進行4 h的硼釩共滲處理，硼釩共滲后其滲層厚度達到30~40 μm，硬度為1 850~2 290 HV，且具有較低的摩擦系數(shù)和良好的耐磨性、耐蝕性。

與單一滲金屬相比，多元共滲的新相形核過程更復(fù)雜。如果某單一元素原子的相對飽和度大，吸附、擴散能力強，則滲層的性能以單滲該元素的作用為主，滲入其它元素的作用為輔。如果兩種滲入元素相對飽和度相當，吸附、擴散能力相近，則滲層的性能接近于這兩種元素單滲的結(jié)果[23]。釩的原子半徑為0.192 nm，鈦的原子半徑為0.20 nm，碳化鈦和碳化釩能形成無限互溶的固溶體，可以有效的將鈦、釩共滲到Cr12MoV鋼表面[24]。2014年，辛榮等[25]在單一滲釩、滲鈦的基礎(chǔ)上，在1 000 ℃對Cr12MoV鋼進行6 h的鈦釩共滲處理，并分析研究了Cr12MoV鋼表面釩鈦滲層形貌與組織結(jié)構(gòu)。實驗可獲得厚度為10 μm的鈦釩共滲層，滲層中存在碳化鈦和碳化釩形成的固溶體，但是鈦原子含量極少，鈦釩共滲層表面硬度提高到2 647 HV0.3，斷面硬度由集體表面向集體內(nèi)部逐漸降低。

隨著耐磨抗蝕、抗高溫氧化零部件的廣泛應(yīng)用，鋼表面滲金屬工藝的發(fā)展越來越快。其中，滲鉻、滲釩工藝發(fā)展尤為迅速[13, 26]。為了改善單一滲鉻或滲釩層存在性能較差的缺點，學(xué)者們逐漸研究結(jié)合多元共滲優(yōu)異性的鉻釩共滲熱處理工藝。1981年，張振信等[27]研究了Cr12MoV鋼在960 ℃時進行4 h鉻釩共滲處理后鉻釩共滲層的組織和結(jié)構(gòu)。獲得厚度為17 μm，表面硬度為1 890~2 575 HV的鉻釩共滲層，其滲層結(jié)構(gòu)表面基本為碳化釩層，過渡區(qū)是以鉻碳化物為主的鉻釩碳化物的混合層。1993年，李杰等[28]在此基礎(chǔ)上，研究了Cr12MoV鋼在950 ℃對Cr12MoV鋼進行2 h鉻釩共滲處理后表面鉻釩共滲層的組織結(jié)構(gòu)和性能。實驗可獲得抗磨、耐蝕、抗高溫氧化和熱疲勞性能較好的鉻釩共滲層，滲層厚度為16 μm，表面硬度為2 850 HV，鉻釩共滲層主要相由VC、(Cr、Fe)7C3、Cr7C3、Cr23C6等組成。

近些年，稀土元素在表面化學(xué)熱處理中的應(yīng)用獲得了迅速發(fā)展，國內(nèi)外研究較多[29-33]。1996年，李杰等[34]研究了稀土元素在鉻釩共滲過程中的作用。實驗在950 ℃對Cr12MoV鋼進行2 h鉻釩共滲處理并采用稀土元素催滲，可獲得厚度為25 μm，表面硬度為3 100 HV的稀土鉻釩共滲層，其滲層具有較高的強韌性和耐磨抗蝕性能。實驗表明，在鉻釩共滲過程中，稀土元素具有明顯的催滲作用。70年代初，日本新井透等[35-36]在以硼砂熔鹽為基礎(chǔ)，滲金屬技術(shù)方面開展了許多研究工作，并在生產(chǎn)上取得較好的成就，類似的方法在我國獲得了發(fā)展和應(yīng)用[37-40]。1994年，劉磊等[41]研究了在以硼砂熔鹽為基，稀土釩共滲的新工藝。在960 ℃對Cr12MoV鋼進行4 h稀土釩共滲，可獲得組織連續(xù)致密、高硬度、高耐磨且滲層厚度為7.4 μm，表面硬度為2 569~2 974 HV0.1的均勻共滲層組織。結(jié)果表明，在滲釩劑中添加適量稀土具有明顯的催滲作用，鹽浴稀土釩共滲層由碳化釩構(gòu)成。

按照目前表面處理的發(fā)展趨勢，將鹽浴氮碳共滲與低溫滲金屬的手段結(jié)合起來的熱處理工藝變得尤為重要。利用V、Ti、Cr等元素與碳、氮元素一起在低溫鹽浴條件下進行共滲，從而提高模具的耐磨性和抗疲勞性能。根據(jù)文獻[42]可知，在各種滲金屬工藝中，滲釩處理所得滲層的耐磨性最佳。因此科研工作者們提出了將滲釩工藝與低溫鹽浴氮碳共滲相結(jié)合的三元共滲方案。2006年，李延輝等[43]采用氮碳共滲基鹽作為鹽浴的主要部分，對Cr12MoV鋼在不同工藝下共滲試驗的結(jié)果進行分析，確定了570 ℃為氮碳釩共滲最佳溫度，共滲時間為2~4 h。共滲過程中，隨著鹽浴中含釩量的增大，碳鋼經(jīng)共滲后的硬度先顯著增大，然后逐漸平緩，滲層深度也隨含碳量的增加而增加。

4 雙輝等離子滲釩

隨著模具工業(yè)的迅速發(fā)展，人們對模具的表面質(zhì)量和壽命的重視程度也在相應(yīng)的提高。實驗研究表明，利用等離子滲氮熱處理工藝可以大幅度提高模具的表面硬度和耐磨性能。隨著雙輝等離子滲金屬技術(shù)在模具鋼工件表面的廣泛應(yīng)用，越來越多的表面強化技術(shù)被研究者們嘗試。

2013年，張濤等[44]在優(yōu)化等離子滲氮工藝的基礎(chǔ)上，進行了Cr12MoV鋼離子滲釩技術(shù)的研究，實驗采用雙輝等離子技術(shù)在950 ℃對Cr12MoV鋼進行4 h表面滲釩處理，實驗獲得具有優(yōu)良性能的滲層，其滲層厚度為8~10 μm，且滲層表面硬度可達到1 900 HV，其耐腐蝕性和使用壽命得到了明顯提高。

5 展望

隨著科技的不斷進步，傳統(tǒng)滲釩工藝已不能滿足實際生產(chǎn)的需求，這就需要科研工作者們不斷地探索新的滲釩技術(shù)。在專家學(xué)者們不斷探索下，Cr12MoV鋼滲釩工藝逐漸走向成熟，滲釩層厚度變化較小，工件的硬度、耐磨性、抗腐蝕性和使用壽命得到了保證。在保證滲釩效果的同時，人們逐漸將設(shè)計重心轉(zhuǎn)移到高質(zhì)、經(jīng)濟及綠色環(huán)保的新型多元共滲的滲釩工藝上來，這將是科研工作者們在未來一段時間內(nèi)的研究發(fā)展方向。

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責(zé)任編校：劉亞兵

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

國家自然科學(xué)基金（51354001）；遼寧省高等學(xué)校創(chuàng)新團隊項目（LT2013014）；遼寧省教育廳重點實驗室基礎(chǔ)研究項目（LZ2014031）；遼寧工業(yè)大學(xué)博士啟動基金（X006）

郭林龍(1994-)，男，廣西柳州人，本科生。趙作福(1978-)，男，遼寧錦州人，高級實驗師，博士。