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模具工件的表面强化处理

通常，模具工作零件都是经淬火回火来达到使用性能要求的。近几十年来一些难加工材料（如不锈钢、钛合金）或高硬度材料也用模具来成形。模具零件的精度也愈来愈高，稍有磨损就要报废。所以经淬火回火处理的模具零件虽然硬度很高，但其耐久性仍难以满足日益提高的性能需要。人们就利用表面强化方法或表面改性技术来进一步提高模具工作零件的使用性能。

模具零件表面强化方法很多，如表面化学热处理、表面淬火、物理或化学气相沉积、.表面镀层、激光表面合金化等等。但是从成熟性、经济性、方便性等诸方面综合考察，渗氮工艺是最好的也是目前最常用的方法。

渗氮，亦称氮化。是使氮原子在一定条件下渗入钢的表面并扩散进入内部固溶并与Fe或合金形成各种化合物使表层硬化的化学热处理工艺。模具零件渗氮是广义的，包括渗入第二元素（如碳、氧、硫等)。广义渗氮工艺有多种,主要有气体渗氮（也包括气体氮碳共渗，也称软氮化)、离子渗氮（等离子体轰击氮化或辉光放电渗氮，Conybear)、液体渗氮、固体（粉末）渗氮、真空渗氮、氧氮化、硫氮氧共渗等。

固体渗氮因工艺粗放、劳动条件差、质量难以控制、效果欠佳等原因基本上已被淘汰不用。液体渗氮或盐浴渗氮由于在有毒的氰盐浴中进行，虽然效果不错，可惜是有毒有害作业（也有称无毒的，但其废弃物仍是有害的），即使可以采取种种措施加以防范，但与现代的无公害热处理（绿色热处理）的发展趋势不符，在我国受到限制、不推广或禁用。应用最多且效果好的是气体渗氮，包括气体氮碳共渗和离子渗氮。

1.气体渗氮

气体渗氮工艺在模具零件上的应用，得益于模具钢含有Cr、Mo、V、Al等与氮有较强亲和力并形成稳定氮化物或氮碳化合物的合金元素。渗氮层显著提高表面硬度和耐磨性、抗擦伤能力，尤其是抗粘着磨损（抗咬合能力）；提高热稳定性，在500℃左右，仍能保持高硬度；提高非不锈钢的抗腐蚀能力；提高耐疲劳性能和低的缺口疲劳敏感性。工件经渗氮处理后，变形很小，且有良好的精度保持性（尺寸稳定性)，表面质量好。与机器零件渗氮相比较，模具零件的渗氮层较浅，处理周期不长。碳是不利于渗氮的元素，故碳含量不高的热作模具钢、塑料模具钢渗氮效果更好。

能提供氮原子的气体介质较多，但目前应用最多且便宜的是氨气。此外也有氨气加稀释气体，稀释气体可以用氢氮混合气体（氨的预先分解气体，或者渗氮的废气）。也可用碳氢化合物即渗碳气氛如丙烷或者丙烷与空气制备的吸热式气氛（即Rx气体)。此时碳和氮（主要的）同时渗入钢表面并扩散，成为气体软氮化或低温气体氮碳共渗。氨气采用工业用瓶装液氨即可。

由于氨有强烈的刺激作用和恶臭。在空气中的浓度超过万分之一，不仅能闻到臭味且刺激喉咙，引起咳嗽和头痛，刺激眼睛而流泪，对人体有一定危害，但氨气有臭味，人们很易觉察引起警惕。氨比空气轻，一般逸出后都上升到大气中去了，在通风良好的车间不会造成不良后果。氨气接触皮肤也会有灼伤的感觉，也应避免。如果受氨气轻度中毒，可喝一点淡的柠檬汁或醋溶液，能起缓解作用。

总之，在操作过程中，应遵守安全操作规程。

气体渗氮设备，主要由两大部分组成。一部分是炉体及附带的控制测量仪表等；一部分为输送渗氮气体和排废气的管路系统。

气体渗氮设备的特点和基本要求：

1) 渗氮罐和管路系统有良好的密封性；

2) 加热炉工作温度不高，一般不超过700℃。但对炉子的炉温均匀度要求很高，尤其是大型渗氮炉，炉温均匀度是一个重要的技术指标，一般规定在有效加热区（工作区）内温差应≤10℃。

3) 炉温的测量和控制应精确。

4)管路系统应合理和畅通。渗氮介质应均匀地与零件表面接触。在可能条件下都装有风扇或气体循环装置。

我国电炉制造厂已有标准的气体渗氮炉或软氮化炉供应。也可接受特殊订货。完全能满足模具渗氮处理的要求。

渗氮模具零件的工艺过程（工艺路线)：

一个需要渗氮的模具零件，从原材料或毛坯经过各种冷热加工工序到成品的整个工艺过程通常有十几道甚至几十道工序。这些前工序的加工质量，对渗氮质量都有影响。模具零件渗氮工1序往往安排在加工过程的最后阶段。复杂零件或渗氮变形要求小的精密零件，渗氮前要经过消除应力退火。此外，工件要清洗干净，表面无不利于渗氮的疵病、污垢表面粗糙度也有一定要求。

预先热处理淬火和高温回火工序按常规工艺。工件不需要渗氮的表面，现在市场上有专用的防渗氮涂料可用。•其他如电镀保护层（镀铜、镀铜锡合金、镀镍等）均可，但成本高。

装炉：

1) 装炉时应避免再次污染渗氮工件表面；

2) 装炉要在工件清洗后立即进行，不宜久置；

3) 工件应放在加热炉（渗氮炉）的有效加热区内，有效加热区按GB/T9452一1988测定；

4) 工件放置或吊挂应均匀，不宜重叠、表面贴紧等不利于渗氮或放置不当而造成过大变形。吊具应清洁，并用涂层保护，减少对氨气的催化分解作用。

排气：

装炉完毕，首先要排气，目的是：

1) 排除炉内原有的空气。过去用惰性气体，到温后再换成氨气，这样不经济。一般直接通氨气。氨气在300℃以上即完全分解。

2) 检验炉子及管路系统是否漏气。

升温：

升温宜缓慢,不因升温过快而造成炉温不均匀。大型渗氮炉，炉温应分段控制和测量。

渗氮工艺：

气体渗氮主要控制的工艺参数是渗氮温度、渗氮保温时间、氨分解率等。氨气流量反而是辅助指标。渗氮温度随钢种不同及技术要求不同而异。多数模具钢在500-550。。之间选取。

渗氮层深度随渗氮温度升高而加深。这是由于提高温度有利于氮的吸收和扩散。高温短时渗氮，渗氮层硬度曲线的梯度较陡。模具钢渗氮层大多如此。渗氮温度影响心部组织和性能，有时要避开回火脆性区。这也是在选取渗氮温度时应当考虑的。

模具钢多数含有Mo元素，回火脆性现象不严重。渗氮保温时间主要决定于模具工件渗层深度的要求。在一定的深度范围内，随着时间延长深度增加。

氨分解率是衡量渗氮气氛“氮势”——渗氮能力的指标。模具钢工件不希望在氮势高的气氛中渗氮，以免形成氮浓度高的脆性的化合物层，即通常所说的白亮层。如果表面氮浓度太高，则应采取扩散处理，通常所说退氮。在极高氨分解率下，即氮势极低的气氛中并适当提高温度下扩散2-4h,使表面氮浓度降低，部分消除脆性的白亮层。

渗氮结束后应缓慢冷却，一般是随炉冷却，此时仍要通氨气或惰性气体，以保持工件表面有美观的银灰色。但即使出现氧化色如紫色、黄色等，也不影响使用性能。

需要特别强调的是：不同的模具零件，采用不同的钢种，有不同的技术要求，所以具体零件的渗氮工艺要结合具体的实际生产条件有所调整。对于具体零件的渗氮工艺，后面还要提到。表3-4是我国常用模具用钢气体渗氮和气体氮碳共渗工艺规范，可供参考。

气体渗氮工艺可参阅热处理工艺标准GB/T18177—2000《钢的气体渗氮》、JB/T4155—1999《钢的气体氮碳共渗》。

2.离子渗氮

离子渗氮是比气体渗氮晚发展起来的新技术，有多种名称，如离子氮化，辉光放电氮化，离子轰击渗氮、等离子体渗氮（Conybear)等。

离子渗氮除了有气体渗氮的种种优点外，还有：

1) 可以较容易地控制渗氮层的组织，不出现脆性的白亮层；

2) 变形更小；

3) 少、无污染。

4) 离子渗氮的初期渗速快，对要求薄渗氮层的模具零件更显优越性。

表3-4常用模具用钢气体渗氮和气体氮碳共渗工艺规范

但是它的缺点是：

1) 设备费用贵；

2) 操作比气体渗氮复杂，需要控制的工艺参数多，测量温度和控制温度均匀比较难。

3) 装炉有严格要求，装炉不妥或形状不同、大小不同的零件混装炉容易出现渗层不均匀等疵病，造成废品或返修。有时需要配置辅助阳极等。

离子渗氮装置包括名佳利炉体设备和辅助系统。设备为带微机装置的种罩炉，辅助系统有真空系统和输气系统。

常用模具钢渗氮后渗氮层的硬度分布曲线见图3-2-图3-11。美国的H13钢，既可作热作模具零件，也用于制造塑料模具成型零件，淬火回火后再经离子渗氮处理，其渗氮层硬度分布曲线如图3-2a、b、c所示。图3-3、图3-4是美国H10和H13钢的渗氮层硬度分布曲线。渗氮后的表面硬度一般可达到900-1200HV0.2,此时y'相的厚度为2.5-5.0μm，扩散层深度为0.1-0.5mm。

美国的D2钢是冷作用模具常用钢，在不同温度离子渗氮后，表面硬度达950-1200HV0.2,—般无化合物相，扩散层深度为0.1-0.2mm。见图3-5a)、b)。

德国冷作模具钢X210CrW12(DIN)在不同温度（400℃、450℃)和不同时间（10h、6h)离子渗氣后的渗氮层硬度分布曲线，见图3-6。

德国的热作模具钢X40CrMoV51[(相当于4CrMoSiVl(GB)，H13(AISI)]离子渗氮后渗氮层的硬度分布曲线见图3-7。压铸模成形零件（凹型腔）经540℃、16h离子渗氮后模具零件寿命显著提高。

冷作模具钢若要进行离子渗氮选择钢种时，建议选择回火温度在450℃以上仍能保持所要求的基本硬度的钢种。德国高碳高铬钢，它们在1020-1080℃温度下淬火，在约520℃回火后具有明显的二次硬化最大值（见图3-8),得到的基体硬度与15(TC左右回火得到的硬度相同。

图3-9示出了心部强度未受影响的离子渗氮后的含w(Cr)12%的模具钢的典型硬度分布。这些钢制造的模具首先由于基体中碳化物含量髙，其次由于离子渗氮层表面硬度高而具极高的耐磨性，非常适宜作弯曲、卷板、冲压、拉延模具的工作零件。

俄罗斯对模具钢渗氮的研究成果见图3-10和表3-5。图3-10表示高速工具钢（P18[相当于W18Cr4V(GB)]和冷作模具钢X12MO[相当于Cr12MoV(GB)]在520℃、56(TC气体渗氮的保温时间对渗氮层硬度和深度的影响。表3-5是不同钢种泮火回火工艺规范与渗氮层硬度和深度的关系。

俄国钢号与中国近似钢号对照见表3-6。

表3-5氮化层硬度和深度与钢的成分和淬火回火温度的关系

注：P18、P12和P6M5的氮化温度为560℃，其他钢为530℃。

表3-6图3-10和表3-5的钢号对照

渗氮钢

渗氮钢含有形成氮化物的合金元素，用渗氮钢制成的模具零件经离子渗氮后表面层无白亮层和氮化物网状组织。图3-11表示了美国Nitralloy135M钢[相当于38CrMoAlA(GB)],渗氮层的硬度分布。这个硬度分布是在处理后没有产生白亮层或氮化物网状组织的情况下得到的。

离子渗氮工艺可参阅机械行业标准JBAT6956—1993《离子渗氮》。

模具零件渗氮后的表面硬度、渗氮层硬度分布、渗氮层深度、渗氮层脆性等检测，可参阅标准GB/T9451—1988《钢件薄表面总硬化层或有效硬化层深度的测量方法》；GB/T11354—1989《钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验》。

渗氮模具零件的热处理技术要求，应在零件图样上标注清楚，它包括明确的要求，如渗氮层的表面硬度，检测位置、有效渗氮层深度（DN)、渗氮层脆性等和隐含的要求如渗氮层金相组织、心部强度等。具体内容可参阅机械行业标准JB/T8555^1997《热处理技术要求在零件图样上的表示方法》。

本文出自*港峰公司（葛利兹、名佳利）*，转载请注明出处！ 2016-4-26