目的 研究540℃氮化溫度下，QPQ處理對H13鋼耐磨性的影響并選出最優(yōu)氮化時間。方法 通過SEM、EDS、XRD分別測試了H13鋼QPQ處理后滲層微觀組織形貌、成分分布以及物相組成。采用HVS-1000顯微硬度計(jì)、MFFT-R4000高速往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)分別對H13鋼基體與540℃下不同氮化時間QPQ處理試樣滲層厚度、硬度分布、耐磨性進(jìn)行了分析研究。結(jié)果QPQ處理后，H13鋼由表面向心部依次形成均勻致密的（Fe3O4）氧化膜、高硬度（ε-Fe3N、CrN)化合物層、(α-Fe、Cr2N)穩(wěn)定擴(kuò)散層。N原子均勻分布于滲層內(nèi)部。顯微硬度沿截面均呈良好梯度分布。在540℃×4h氮化工藝下，滲層次表層硬度達(dá)到最大值（1173HV0.1），較基體(498HV0.1)提高2.4倍左右。磨損量僅為基體1/13。H13鋼磨損表面存在嚴(yán)重犁溝效應(yīng)與大量磨屑，表現(xiàn)為典型磨粒磨損伴隨少量粘著磨損。而QPQ處理試樣磨損表面僅存在少量淺顯劃痕伴隨輕微結(jié)疤狀凹坑，為粘著磨損。結(jié)論 經(jīng)QPQ處理H13鋼耐磨性得到顯著提高，其中540℃×4h氮化工藝所得性能最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：H13鋼；QPQ；成分分布；滲層厚度；硬度；耐磨性

H13鋼在高溫下因擁有較高的熱硬性、沖擊韌性、耐磨性以及切削加工性，一般應(yīng)用于熱鐓鍛、熱擠壓、壓鑄模具的制造，是一種應(yīng)用較為廣泛且具有代表性的熱作模具鋼[1-2]。在服役過程中，長期受高溫周期性交變作用，表面受到一定程度的磨損、腐蝕，而這些現(xiàn)象的發(fā)生大都起始于工件表面，所以利用表面處理技術(shù)來提高H13鋼性能，延長使用壽命，具有重要的意義[3-4]。

QPQ鹽浴復(fù)合處理基本工藝過程是在氮化鹽浴與氧化鹽浴中處理工件，使工件耐磨性、耐蝕性得到很大程度的改善。該技術(shù)現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于汽車、摩托車、機(jī)床、工程機(jī)械、槍械、模具等行業(yè)[5-8]。美國通用電器、德國大眾和奔馳、日本本田和豐田等著名跨國公司均引進(jìn)了此項(xiàng)技術(shù)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。本文以H13鋼作為熱作模具鋼代表來研究QPQ處理技術(shù)應(yīng)用于其后組織及性能變化，對于熱作模具鋼的應(yīng)用具有理論及指導(dǎo)意義[9-12]。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

   試驗(yàn)以H13鋼為基體材料，其化學(xué)成分(wt.%)為0.32～0.45C，0.8～1.2Si，0.2～0.5Mn，4.75～5.50Cr，1.10～1.75Mo，0.8～1.2V，P，S≤0.03，F(xiàn)e余量。預(yù)先熱處理為1050℃油淬，580℃兩次回火，硬度48HRC，試樣尺寸20mm×10mm×10mm。

1.2 試驗(yàn)方法

   試驗(yàn)主要研究了氮化時間對滲層組織和性能的影響。QPQ復(fù)合處理的工藝流程為：清洗→預(yù)熱→鹽浴

滲氮→鹽浴氧化→去鹽清洗→干燥→浸油。本實(shí)驗(yàn)主要研究了540℃下不同氮化時間對滲層性能的影響。相關(guān)工藝曲線如圖1所示。

使用線切割將QPQ處理試樣沿截面截開，依次使用200#~2000#SiC砂紙打磨、拋光；4%硝酸酒精溶液作為腐蝕劑值得金相試樣。采用JSM-6460LV型掃描電鏡及其自帶能譜儀(EDS)，分別對滲層截面微觀形貌以及滲層厚度、微區(qū)元素成分分布進(jìn)行觀察分析；使用HVS-1000顯微硬度計(jì)測試滲層硬度分布。加載載荷100g，保壓時間10s；采用DX-2500型X射線衍射儀，對試樣由表面至基體方向每隔5μm進(jìn)行分層XRD物相測試分析。試驗(yàn)參數(shù)為：Cu靶Kα射線，管電壓35kV，管電流25mA，掃描速度0.06°/s，掃描角度，20°~90°；采用MFFT-R4000高速往復(fù)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)儀測試基體與滲層磨損特性，對磨材料為Si3N4，載荷5N，頻率2HZ，時間20min，滑動距離10mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 滲層形貌及滲層厚度

圖2為H13鋼QPQ處理截面SEM照片，表1為圖2中各區(qū)域點(diǎn)掃描對應(yīng)成分分布表。由圖可明顯觀察到滲層組織由表面向心部依次為氧化膜層、化合物層、擴(kuò)散層。其中在化合物與氧化物層之間存在一定厚度海綿狀、多孔的疏松層，且隨著化合物層厚度的增加，疏松越嚴(yán)重。滲層厚度均勻，無明顯缺陷，在擴(kuò)散層內(nèi)部有大量細(xì)小針狀氮化物的析出。表1點(diǎn)掃描結(jié)果可知，在1區(qū)域存在一定量的O、N元素，而隨距表面距離的增加，O元素逐漸消失，N原子質(zhì)量比降低，Cr、Si、Fe等H13鋼基體元素含量呈顯著遞增趨勢。由此說明，N元素隨擴(kuò)散距離的增加呈遞減變化，且在H13鋼滲層中呈良好的梯度分布。

圖3為540℃不同氮化時間QPQ處理滲層厚度。由圖可知，在一定氮化溫度下，隨著氮化時間的延長，化合物層厚度與擴(kuò)散層厚度均呈先降低后增大的變化趨勢。在3h最低。至此，隨著時間的延長，化合物層厚度呈緩慢增加。相比化合物層厚度變化，擴(kuò)散層厚度增加較快，幾乎呈直線增加。其主要原因在于H13鋼基體所存在的Cr、以及Mo、V等合金元素會提高N在α-Fe中的溶解度，而擴(kuò)散層組織主要由N在α-Fe中的過飽和固溶體組成，使其對擴(kuò)散層的形成具有促進(jìn)作用。

2.2 XRD分析

圖4為H13鋼540℃×4h鹽浴氮化工藝下滲層逐層XRD圖譜。結(jié)果表明，經(jīng)QPQ處理后試樣表面主要由Fe3O4、CrN、Fe2N、ε-Fe3N等相組成；距表面5μm滲層中出現(xiàn)了少量的針狀γ'-Fe4N氮化物過渡相、以及Cr2N合金氮化物，而Fe3O4物相明顯減少，F(xiàn)e2N完全消失；距表面10μm以后，F(xiàn)e3O4、ε-Fe3N、γ'-Fe4N、CrN相完全消失，開始形成由大量α-Fe、Cr2N物相組成的組織，與表1點(diǎn)掃描結(jié)果相一致。產(chǎn)生這種變化的主要原因如下：O原子主要存在于表面氧化層，與Fe結(jié)合形成致密Fe3O4氧化膜。隨擴(kuò)散距離的增加，N勢呈遞減趨勢。在高濃度N勢下，N原子易擴(kuò)散至Fe的點(diǎn)陣間隙，進(jìn)而結(jié)合形成高硬度、高耐磨的Fe2N、ε-Fe3N、CrN相，隨N勢的逐漸降低會出現(xiàn)少量硬度較低、韌性較好的γ'-Fe4N過渡相、Cr2N氮化物，到化合物層與擴(kuò)散層交界處，N勢降低到不足以形成化合物時，N原子進(jìn)入Fe的晶格內(nèi)部形成N在α-Fe中過飽和固溶體[13]，隨著擴(kuò)散距離的增加，N勢梯度較小，而形成穩(wěn)定α-Fe、Cr2N物相[14]。

2.3 滲層硬度以及耐磨性

2.3.1滲層硬度

圖5為H13鋼不同氮化時間QPQ處理與基體試樣沿層深方向硬度梯度分布曲線。結(jié)果顯示，經(jīng)QPQ處理后H13鋼顯微硬度顯著提高。滲層硬度的提高主要在于大量N元素滲入Fe的晶格內(nèi)部，形成高硬度ε-Fe3N、γ'-Fe4N氮化物的固溶強(qiáng)化作用，同時H13鋼基材所存在的合金元素Cr與N元素存在很強(qiáng)的親和力，很容易通過彌散強(qiáng)化作用形成的CrN、Cr2N等穩(wěn)定高硬度合金氮化物，與此同時，F(xiàn)e的晶格由BCC轉(zhuǎn)化為HCP；其次，亦可觀察到由表面至心部顯微硬度呈先升高后逐漸降低的趨勢，且呈良好的梯度分布。在據(jù)表面60~70μm由于高硬度氮化物的減少導(dǎo)致硬度突降。隨著氮化時間的延長，N勢的增加，在2~4h試樣表面硬度呈明顯的遞增趨勢，在4h滲層次表層硬度達(dá)到最大值（1173HV0.1），較基體(498HV0.1)增加2.4倍左右。隨后的5~6h試樣硬度峰值出現(xiàn)了一定程度下降，且內(nèi)移。這是由于隨著氮化時間的延長，高硬度氮化物顆粒組織變的粗大、化合物表層多孔疏松層逐漸變寬、加重。

2.3.2滲層摩擦磨損特性

圖6為H13鋼基體與QPQ處理磨損失重及磨損形貌。由圖5(a)知，H13鋼基體磨損失重(5.3mg)遠(yuǎn)大于QPQ處理試樣(1.0mg以下)。 隨著氮化時間的延長磨損量呈先降低后上升的變化，在4h達(dá)到最小(0.4mg)，為基體(5.3mg)13倍左右。耐磨性得到顯著增加，與硬度變化規(guī)律相吻合。通過對比圖6(b, c)磨損形貌，H13鋼基體磨損表面存在大面積犁溝狀劃痕，同時伴隨一定量脫落碎屑。表現(xiàn)為典型磨粒磨損伴隨少量粘著磨損；而QPQ處理試樣磨損表面僅存在少量淺顯劃痕，伴隨輕微結(jié)疤狀凹坑，為粘著磨損。其原因在于未處理試樣表面硬度較低與摩擦副之間存在較大硬度偏差，相對承載能力較差。對磨過程中，對磨材料表面微凸體極易楔入試樣表面，進(jìn)而形成明顯犁溝。而經(jīng)QPQ工藝處理后，CrN和Fe2-3N等高硬度、高耐磨氮化物以及低摩擦系數(shù)Fe3O4形成于H13鋼表面，使其表現(xiàn)出良好抗磨損能力。

3結(jié)論

1) H13鋼QPQ處理后，由表面向心部依次形成氧化膜層、化合物層、擴(kuò)散層組織。表面主要由Fe3O4、CrN、Fe2N、ε-Fe3N等物相組成，次表層存在少量γ'-Fe4N過渡相，在擴(kuò)散層形成了穩(wěn)定α-Fe、Cr2N物相。

2) H13鋼QPQ處理后滲層硬度得到大幅度提高，且在540℃×4h鹽浴氮化工藝下，滲層次表層硬度達(dá)到最大值(1173HV0.1)，較基體(498HV0.1)增加2.4倍左右。對應(yīng)于滲層表面磨損量也存在相同的變化規(guī)律。

     3) 540℃×4h鹽浴氮化處理，所得滲層性能最優(yōu)。