H13模具钢刀具的复合热处理工艺的制作方法及注意事项

　　本发明涉热处理领域，尤其涉及一种H13模具钢刀具的复合热处理工艺。

　　背景技术：

　　盾构机施工具有机械化程度高、施工速度快、安全性高等优点，被广泛应用于地铁、铁路、水电等重大工程的隧道掘进。盾构机在全断面硬岩施工或者上软下硬复合地层施工时，多采用盘形滚刀，工作时盘形滚刀刀圈在盾构机推力下压入岩体使岩石破碎。盘形滚刀作为破岩工具，不仅承受很大的径向破岩力，同时又受到岩石硬矿物相的剧烈磨损。因此滚刀质量直接影响盾构机的掘进速度，是隧道掘进最大的消耗件之一。

　　滚刀的工作刃，即刀圈，在工作中受到的摩擦力、剪切力和冲击力相当大，刀圈的损坏方式主要有过早磨损、崩刃、断裂。

　　目前刀圈常采用的材料为4Cr5MoSiV1、40CrNiMo、H13，但这些刀圈在硬岩和上软下硬岩层掘进中，存在耐磨性差或者容易断裂的问题。掘进硬岩和上软下硬岩层要求刀圈具备较好的韧性，以抵抗岩石的冲击，并尽可能提高材料本身的硬度，延长使用寿命。对于一般条件下制备的金属材料而言，硬度和韧性是一对矛盾，硬度提高势必降低材料的韧性，如刀圈整体硬度达到HRC59以上时，在掘进硬岩时刀圈会产生整体断裂、崩裂现象，而硬度低于HRC55，则刀圈不耐磨。

　　中国发明专利，公开号：103572022A，授权公日号：2014年2月12日，该发明公开了一种H13型钢的热处理方法。该方法包括如下操作步骤：步骤一，将采用径锻机锻造后的锻件钢材以10-200℃/min的冷却速度冷却至300℃以下，其中所述径锻机的停锻温度为900-950℃；步骤二，将经步骤一处理的锻件钢材在830～880℃条件下保温后再降温至700-760℃进行二级等温球化后冷却，所述二级等温球化是指先低温度球化然后升温进行高温度球化。采用该发明的方法对H13型钢进行热处理提高了锻件材组织的一次检验合格率；产品检验达到北美压铸协会模具材料标准NADCA207#中A4以上水平；生产周期缩短20小时以上；劳动成本及煤气消耗成本有了明显的降低。其不足之处在于，虽然通过该处理方法，可以提高锻件材组织的一次检验合格率，但是对H13钢的耐磨性并没有作进一步提高。

　　技术实现要素：

　　1.发明要解决的技术问题

　　针对现有技术的H13模具钢的耐磨性差，硬度低的问题，本发明提供了一种H13型钢的热处理方法。它可以提高H13模具钢的耐磨性和硬度。

　　2.技术方案

　　为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：

　　一种H13模具钢刀具的复合热处理工艺，包括以下步骤：

　　A、下料锻打辗环；

　　B、球化退火；

　　C、按图纸的设计要求，机械加工相关尺寸；

　　D、稀土碳硼共渗复合热处理；

　　E、氧氮硫+稀土表面处理；

　　刀具在渗碳硼淬火回火或真空淬火回火后，清洗净化表面，进行氧氮硫+稀土共渗。

　　优选地，所述的刀具是空心环状体，从外圆向中心呈梯形分布，外圆500mm，内孔280mm，高80mm。

　　优选地，步骤C中机械加工刀具外形，并精加工至相应尺寸，内孔尺寸和端面留量0.2mm。

　　优选地，步骤E中在井式气体渗氮炉内进行氧氮硫+稀土共渗。

　　优选地，步骤C中，在真空炉内将刀具分别在680℃和820℃两段升温保温后，加热到950℃，开始炉中渗硼并同时添加0.4％的稀土元素，保温强渗碳硼3.5小时后，扩散1小时，炉温继续加热到1030℃保温30分钟后淬火，在560℃回火两次，即按标准工艺执行，硬度达到60HRC以上。

　　优选地，步骤E中所用设备为离子氮化炉，稀土共渗中所用的共渗介质与用量：NH3氨气，400L/h；间断通入CS2-C2H5OH，其中C2H5OH与CS2的比例为2/1，混合气体流量为20L/h。

　　优选地，步骤E中的稀土共渗中稀土含量为0.4％。

　　优选地，步骤E中共渗炉压约2660Pa。

　　优选地，热工参数为500±10℃，保温时间8h。

　　优选地，共渗后炉冷至160℃出炉空冷，表面硬度958-1050HV，刀具寿命提高2-3倍，表面强度大，硬度高，耐磨耐疲劳，大大的提高刀具的使用价值，节约了成本，具有相当的经济效益。

　　3.有益效果

　　采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

　　(1)本发明的一种H13模具钢刀具的复合热处理工艺，共渗后炉冷至160℃出炉空冷，表面硬度958-1050HV，刀具寿命提高2-3倍，表面强度大硬度高，耐磨耐疲劳，大大的提高刀具的使用价值，节约了成本，具有相当的经济效益；

　　(2)本发明的一种H13模具钢刀具的复合热处理工艺，在真空炉内将刀具分别在680℃和820℃两段升温保温后，加热到950℃，开始炉中渗硼并同时添加0.4％的稀土元素，保温渗硼3.5小时后，炉温继续加热到1030℃保温30分钟后淬火，在560℃回火两次，即按标准工艺执行，硬度达到60HRC以上。

　　具体实施方式

　　为进一步了解本发明的内容，结合实施例对本发明作详细描述。

　　实施例1

　　本实施例的一种H13模具钢刀具的复合热处理工艺，针对的刀具是空心环状体，从外圆向中心呈梯形分布，外圆500mm，内孔280mm，高80mm，包括以下步骤：

　　A、下料锻打辗环；

　　B、球化退火；

　　C、机械加工刀具外形，并精加工至相应尺寸，内孔尺寸和端面留量0.2mm；

　　D、稀土渗硼复合热处理；

　　在真空炉内将刀具分别在680℃和820℃两段升温保温后，加热到950℃，开始炉中渗碳硼并同时添加0.4％的稀土元素，保温强渗碳渗硼3.5小时后，扩散1小时，炉温继续加热到1030℃保温30分钟后淬火，在560℃回火两次，即按标准工艺执行，硬度达到60HRC以上；

　　E、氧氮硫+稀土表面处理，刀具在真空热处理后，清洗净化表面，进行氧氮硫+稀土共渗，井式气体渗氮炉内进行氧氮硫+稀土共渗；所用设备为离子氮化炉，稀土共渗中所用的共渗介质与用量：NH3氨气，400L/h；间断通入CS2-C2H5OH，其中C2H5OH与CS2的比例为2/1，混合气体流量为20L/h，稀土共渗中稀土含量为0.4％，共渗炉压约2660Pa；

　　热工参数为500±10℃，保温时间8h，共渗后炉冷至160℃出炉空冷，淬火后表面硬度958-1050HV，刀具寿命提高2-3倍，表面强度大硬度高，耐磨耐疲劳，大大的提高刀具的使用价值，节约了成本，具有相当的经济效益。

　　实施例2

　　本实施例的一种H13模具钢刀具的复合热处理工艺，工艺准备：下料锻打辗环+球化退火+机械加工刀具外形精加工至尺寸，内孔尺寸、端面留量0.2mm；

　　化学热处理工艺1名称：稀土渗碳硼复合热处理；

　　工艺：渗碳炉或真空炉内刀具分别在680℃和820℃两段升温保温后，加热到950℃，开始炉中渗硼并同时添加0.4％的稀土元素，保温强渗碳硼3.5小时后，扩散1小时，炉温继续加热到1030℃保温30分钟后(1030℃保温后淬火，560℃回火两次，即按标准工艺执行)硬度58-60HRC。

　　化学热处理工艺2名称：氧氮硫+稀土表面处理；

　　工件渗碳处理或真空热处理后，清洗净化表面，井式气体渗氮炉内进行氧氮硫+稀土共渗；

　　工艺安排：刀具共渗前处理：淬火+回火后硬度58-60HRC。

　　设备：离子氮化炉；

　　共渗介质与用量：NH3氨气400L/h；间断通入CS2-C2H5OH，其中C2H5OH与CS2的比例为2/1；

　　混合气体，20L/h；稀土0.4％；

　　共渗炉压约2660Pa；

　　热工参数：500℃±10℃，保温时间8h，共渗后炉冷至160℃出炉空冷，表面硬度958-1050HV，刀具寿命提高2-3倍，表面强度大，硬度高，耐磨耐疲劳，大大的提高刀具的使用价值，节约了成本，具有相当的经济效益。

　　以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的实施例，均应属于本发明的保护范围。

　　技术特征：

　　1.一种H13模具钢刀具的复合热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：

　　A、下料锻打辗环；

　　B、球化退火；

　　C、按图纸要求机械加工相关尺寸；

　　D、稀土+碳硼共渗复合热处理：在真空炉内将刀具分别在680℃和820℃两段升温保温后，加热到950℃，开始炉中碳硼共渗工艺；并同时添加0.4％的稀土元素，保温碳硼共渗3.5小时后，扩散1小时，炉温继续加热到1030℃保温30分钟后淬火，在560℃回火两次，即按标准工艺执行，硬度达到60HRC以上；

　　E、氧氮硫+稀土表面处理：刀具在步骤D稀土+碳硼共渗复合热处理后，清洗净化表面，进行氧氮硫+稀土共渗；所用设备为井式气体渗氮炉，稀土共渗中所用的共渗介质与用量：NH3氨气，400L/h，间断通入CS2-C2H5OH，其中C2H5OH与CS2的比例为2/1，混合气体流量为20L/h，稀土共渗中稀土含量为0.4％，共渗炉压为2660Pa，热工参数为500±10℃，保温时间为8h，共渗后炉冷至160℃出炉空冷。

　　2.根据权利要求1所述的一种H13模具钢刀具的复合热处理工艺，其特征在于，按设计要求机械加工至刀具的相应尺寸，或精加工至相应尺寸，在内孔尺寸和端面尺寸留量0.2mm。

　　技术总结

　　本发明公开了一种H13模具钢刀具的复合处理工艺，属于热处理领域。第一，刀具的碳硼+稀土共渗。它包括以下步骤：A、下料锻打辗环；B、球化退火；C、按图机械加工至相关尺寸要求；D、在真空渗碳炉内将刀具分别在680℃和820℃两段升温保温，排气完成后，加热到950℃，开始炉中进行碳硼共渗，并同时添加0.4％的稀土元素，强渗3.5小时后，扩散1小时，炉温继续加热到1030℃保温30分钟后淬火，在560℃回火两次，即按标准工艺执行，表面硬度达到60HRC以上；第二；刀具的氧氮硫+稀土表面处理：刀具在渗碳淬火回火或真空淬火回火后，清洗净化表面，进行氧氮硫+稀土共渗。目的是进一步提高H13模具钢刀具的表面硬度和使用耐磨性和耐腐蚀性。

　　技术研发人员：邰淼;韩文进

　　受保护的技术使用者：马鞍山市三江机械有限公司

　　技术研发日：2016.12.31

　　技术公布日：2019.05.24