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模具工件的表面強化處理

通常，模具工作零件都是經淬火回火來達到使用性能要求的。近幾十年來一些難加工材料（如不銹鋼、鈦合金）或高硬度材料也用模具來成形。模具零件的精度也愈來愈高，稍有磨損就要報廢。所以經淬火回火處理的模具零件雖然硬度很高，但其耐久性仍難以滿足日益提高的性能需要。人們就利用表面強化方法或表面改性技術來進一步提高模具工作零件的使用性能。

模具零件表面強化方法很多，如表面化學熱處理、表面淬火、物理或化學氣相沉積、.表面鍍層、激光表面合金化等等。但是從成熟性、經濟性、方便性等諸方面綜合考察，滲氮工藝是最好的也是目前最常用的方法。

滲氮，亦稱氮化。是使氮原子在一定條件下滲入鋼的表面并擴散進入內部固溶并與Fe或合金形成各種化合物使表層硬化的化學熱處理工藝。模具零件滲氮是廣義的，包括滲入第二元素（如碳、氧、硫等)。廣義滲氮工藝有多種,主要有氣體滲氮（也包括氣體氮碳共滲，也稱軟氮化)、離子滲氮（等離子體轟擊氮化或輝光放電滲氮，Conybear)、液體滲氮、固體（粉末）滲氮、真空滲氮、氧氮化、硫氮氧共滲等。

固體滲氮因工藝粗放、勞動條件差、質量難以控制、效果欠佳等原因基本上已被淘汰不用。液體滲氮或鹽浴滲氮由于在有毒的氰鹽浴中進行，雖然效果不錯，可惜是有毒有害作業（也有稱無毒的，但其廢棄物仍是有害的），即使可以采取種種措施加以防范，但與現代的無公害熱處理（綠色熱處理）的發展趨勢不符，在我國受到限制、不推廣或禁用。應用最多且效果好的是氣體滲氮，包括氣體氮碳共滲和離子滲氮。

1.氣體滲氮

氣體滲氮工藝在模具零件上的應用，得益于模具鋼含有Cr、Mo、V、Al等與氮有較強親和力并形成穩定氮化物或氮碳化合物的合金元素。滲氮層顯著提高表面硬度和耐磨性、抗擦傷能力，尤其是抗粘著磨損（抗咬合能力）；提高熱穩定性，在500℃左右，仍能保持高硬度；提高非不銹鋼的抗腐蝕能力；提高耐疲勞性能和低的缺口疲勞敏感性。工件經滲氮處理后，變形很小，且有良好的精度保持性（尺寸穩定性)，表面質量好。與機器零件滲氮相比較，模具零件的滲氮層較淺，處理周期不長。碳是不利于滲氮的元素，故碳含量不高的熱作模具鋼、塑料模具鋼滲氮效果更好。

能提供氮原子的氣體介質較多，但目前應用最多且便宜的是氨氣。此外也有氨氣加稀釋氣體，稀釋氣體可以用氫氮混合氣體（氨的預先分解氣體，或者滲氮的廢氣）。也可用碳氫化合物即滲碳氣氛如丙烷或者丙烷與空氣制備的吸熱式氣氛（即Rx氣體)。此時碳和氮（主要的）同時滲入鋼表面并擴散，成為氣體軟氮化或低溫氣體氮碳共滲。氨氣采用工業用瓶裝液氨即可。

由于氨有強烈的刺激作用和惡臭。在空氣中的濃度超過萬分之一，不僅能聞到臭味且刺激喉嚨，引起咳嗽和頭痛，刺激眼睛而流淚，對人體有一定危害，但氨氣有臭味，人們很易覺察引起警惕。氨比空氣輕，一般逸出后都上升到大氣中去了，在通風良好的車間不會造成不良后果。氨氣接觸皮膚也會有灼傷的感覺，也應避免。如果受氨氣輕度中毒，可喝一點淡的檸檬汁或醋溶液，能起緩解作用。

總之，在操作過程中，應遵守安全操作規程。

氣體滲氮設備，主要由兩大部分組成。一部分是爐體及附帶的控制測量儀表等；一部分為輸送滲氮氣體和排廢氣的管路系統。

氣體滲氮設備的特點和基本要求：

1) 滲氮罐和管路系統有良好的密封性；

2) 加熱爐工作溫度不高，一般不超過700℃。但對爐子的爐溫均勻度要求很高，尤其是大型滲氮爐，爐溫均勻度是一個重要的技術指標，一般規定在有效加熱區（工作區）內溫差應≤10℃。

3) 爐溫的測量和控制應精確。

4)管路系統應合理和暢通。滲氮介質應均勻地與零件表面接觸。在可能條件下都裝有風扇或氣體循環裝置。

我國電爐制造廠已有標準的氣體滲氮爐或軟氮化爐供應。也可接受特殊訂貨。完全能滿足模具滲氮處理的要求。

滲氮模具零件的工藝過程（工藝路線)：

一個需要滲氮的模具零件，從原材料或毛坯經過各種冷熱加工工序到成品的整個工藝過程通常有十幾道甚至幾十道工序。這些前工序的加工質量，對滲氮質量都有影響。模具零件滲氮工1序往往安排在加工過程的最后階段。復雜零件或滲氮變形要求小的精密零件，滲氮前要經過消除應力退火。此外，工件要清洗干凈，表面無不利于滲氮的疵病、污垢表面粗糙度也有一定要求。

預先熱處理淬火和高溫回火工序按常規工藝。工件不需要滲氮的表面，現在市場上有專用的防滲氮涂料可用。•其他如電鍍保護層（鍍銅、鍍銅錫合金、鍍鎳等）均可，但成本高。

裝爐：

1) 裝爐時應避免再次污染滲氮工件表面；

2) 裝爐要在工件清洗后立即進行，不宜久置；

3) 工件應放在加熱爐（滲氮爐）的有效加熱區內，有效加熱區按GB/T9452一1988測定；

4) 工件放置或吊掛應均勻，不宜重疊、表面貼緊等不利于滲氮或放置不當而造成過大變形。吊具應清潔，并用涂層保護，減少對氨氣的催化分解作用。

排氣：

裝爐完畢，首先要排氣，目的是：

1) 排除爐內原有的空氣。過去用惰性氣體，到溫后再換成氨氣，這樣不經濟。一般直接通氨氣。氨氣在300℃以上即完全分解。

2) 檢驗爐子及管路系統是否漏氣。

升溫：

升溫宜緩慢,不因升溫過快而造成爐溫不均勻。大型滲氮爐，爐溫應分段控制和測量。

滲氮工藝：

氣體滲氮主要控制的工藝參數是滲氮溫度、滲氮保溫時間、氨分解率等。氨氣流量反而是輔助指標。滲氮溫度隨鋼種不同及技術要求不同而異。多數模具鋼在500-550。。之間選取。

滲氮層深度隨滲氮溫度升高而加深。這是由于提高溫度有利于氮的吸收和擴散。高溫短時滲氮，滲氮層硬度曲線的梯度較陡。模具鋼滲氮層大多如此。滲氮溫度影響心部組織和性能，有時要避開回火脆性區。這也是在選取滲氮溫度時應當考慮的。

模具鋼多數含有Mo元素，回火脆性現象不嚴重。滲氮保溫時間主要決定于模具工件滲層深度的要求。在一定的深度范圍內，隨著時間延長深度增加。

氨分解率是衡量滲氮氣氛“氮勢”——滲氮能力的指標。模具鋼工件不希望在氮勢高的氣氛中滲氮，以免形成氮濃度高的脆性的化合物層，即通常所說的白亮層。如果表面氮濃度太高，則應采取擴散處理，通常所說退氮。在極高氨分解率下，即氮勢極低的氣氛中并適當提高溫度下擴散2-4h,使表面氮濃度降低，部分消除脆性的白亮層。

滲氮結束后應緩慢冷卻，一般是隨爐冷卻，此時仍要通氨氣或惰性氣體，以保持工件表面有美觀的銀灰色。但即使出現氧化色如紫色、黃色等，也不影響使用性能。

需要特別強調的是：不同的模具零件，采用不同的鋼種，有不同的技術要求，所以具體零件的滲氮工藝要結合具體的實際生產條件有所調整。對于具體零件的滲氮工藝，后面還要提到。表3-4是我國常用模具用鋼氣體滲氮和氣體氮碳共滲工藝規范，可供參考。

氣體滲氮工藝可參閱熱處理工藝標準GB/T18177—2000《鋼的氣體滲氮》、JB/T4155—1999《鋼的氣體氮碳共滲》。

2.離子滲氮

離子滲氮是比氣體滲氮晚發展起來的新技術，有多種名稱，如離子氮化，輝光放電氮化，離子轟擊滲氮、等離子體滲氮（Conybear)等。

離子滲氮除了有氣體滲氮的種種優點外，還有：

1) 可以較容易地控制滲氮層的組織，不出現脆性的白亮層；

2) 變形更��；

3) 少、無污染。

4) 離子滲氮的初期滲速快，對要求薄滲氮層的模具零件更顯優越性。

表3-4常用模具用鋼氣體滲氮和氣體氮碳共滲工藝規范

但是它的缺點是：

1) 設備費用貴；

2) 操作比氣體滲氮復雜，需要控制的工藝參數多，測量溫度和控制溫度均勻比較難。

3) 裝爐有嚴格要求，裝爐不妥或形狀不同、大小不同的零件混裝爐容易出現滲層不均勻等疵病，造成廢品或返修。有時需要配置輔助陽極等。

離子滲氮裝置包括名佳利爐體設備和輔助系統。設備為帶微機裝置的種罩爐，輔助系統有真空系統和輸氣系統。

常用模具鋼滲氮后滲氮層的硬度分布曲線見圖3-2-圖3-11。美國的H13鋼，既可作熱作模具零件，也用于制造塑料模具成型零件，淬火回火后再經離子滲氮處理，其滲氮層硬度分布曲線如圖3-2a、b、c所示。圖3-3、圖3-4是美國H10和H13鋼的滲氮層硬度分布曲線。滲氮后的表面硬度一般可達到900-1200HV0.2,此時y'相的厚度為2.5-5.0μm，擴散層深度為0.1-0.5mm。

美國的D2鋼是冷作用模具常用鋼，在不同溫度離子滲氮后，表面硬度達950-1200HV0.2,—般無化合物相，擴散層深度為0.1-0.2mm。見圖3-5a)、b)。

德國冷作模具鋼X210CrW12(DIN)在不同溫度（400℃、450℃)和不同時間（10h、6h)離子滲氣后的滲氮層硬度分布曲線，見圖3-6。

德國的熱作模具鋼X40CrMoV51[(相當于4CrMoSiVl(GB)，H13(AISI)]離子滲氮后滲氮層的硬度分布曲線見圖3-7。壓鑄模成形零件（凹型腔）經540℃、16h離子滲氮后模具零件壽命顯著提高。

冷作模具鋼若要進行離子滲氮選擇鋼種時，建議選擇回火溫度在450℃以上仍能保持所要求的基本硬度的鋼種。德國高碳高鉻鋼，它們在1020-1080℃溫度下淬火，在約520℃回火后具有明顯的二次硬化最大值（見圖3-8),得到的基體硬度與15(TC左右回火得到的硬度相同。

圖3-9示出了心部強度未受影響的離子滲氮后的含w(Cr)12%的模具鋼的典型硬度分布。這些鋼制造的模具首先由于基體中碳化物含量髙，其次由于離子滲氮層表面硬度高而具極高的耐磨性，非常適宜作彎曲、卷板、沖壓、拉延模具的工作零件。

俄羅斯對模具鋼滲氮的研究成果見圖3-10和表3-5。圖3-10表示高速工具鋼（P18[相當于W18Cr4V(GB)]和冷作模具鋼X12MO[相當于Cr12MoV(GB)]在520℃、56(TC氣體滲氮的保溫時間對滲氮層硬度和深度的影響。表3-5是不同鋼種泮火回火工藝規范與滲氮層硬度和深度的關系。

俄國鋼號與中國近似鋼號對照見表3-6。

表3-5氮化層硬度和深度與鋼的成分和淬火回火溫度的關系

注：P18、P12和P6M5的氮化溫度為560℃，其他鋼為530℃。

表3-6圖3-10和表3-5的鋼號對照

滲氮鋼

滲氮鋼含有形成氮化物的合金元素，用滲氮鋼制成的模具零件經離子滲氮后表面層無白亮層和氮化物網狀組織。圖3-11表示了美國Nitralloy135M鋼[相當于38CrMoAlA(GB)],滲氮層的硬度分布。這個硬度分布是在處理后沒有產生白亮層或氮化物網狀組織的情況下得到的。

離子滲氮工藝可參閱機械行業標準JBAT6956—1993《離子滲氮》。

模具零件滲氮后的表面硬度、滲氮層硬度分布、滲氮層深度、滲氮層脆性等檢測，可參閱標準GB/T9451—1988《鋼件薄表面總硬化層或有效硬化層深度的測量方法》；GB/T11354—1989《鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗》。

滲氮模具零件的熱處理技術要求，應在零件圖樣上標注清楚，它包括明確的要求，如滲氮層的表面硬度，檢測位置、有效滲氮層深度（DN)、滲氮層脆性等和隱含的要求如滲氮層金相組織、心部強度等。具體內容可參閱機械行業標準JB/T8555^1997《熱處理技術要求在零件圖樣上的表示方法》。

本文出自*港峰公司（葛利茲、名佳利）*，轉載請注明出處！ 2016-4-26