通常，模具工作零件都是經(jīng)淬火回火來達(dá)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(bào)廢。所以經(jīng)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(qiáng)化方法或表面改性技術(shù)來進(jìn)一步提高模具工作零件的使用性能。

模具零件表面強(qiáng)化方法很多，如表面化學(xué)熱處理、表面淬火、物理或化學(xué)氣相沉積、.表面鍍層、激光表面合金化等等。但是從成熟性、經(jīng)濟(jì)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(kuò)散進(jìn)入內(nèi)部固溶并與Fe或合金形成各種化合物使表層硬化的化學(xué)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(dòng)條件差、質(zhì)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(jìn)行，雖然效果不錯(cuò)，可惜是有毒有害作業(yè)（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(xiàn)代的無公害熱處理（綠色熱處理）的發(fā)展趨勢(shì)不符，在我國受到限制、不推廣或禁用。應(yīng)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(yīng)用，得益于模具鋼含有Cr、Mo、V、Al等與氮有較強(qiáng)親和力并形成穩(wěn)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(wěn)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(jīng)滲氮處理后，變形很小，且有良好的精度保持性（尺寸穩(wěn)定性)，表面質(zhì)量好。與機(jī)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(zhì)較多，但目前應(yīng)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(yù)先分解氣體，或者滲氮的廢氣）。也可用碳?xì)浠�合物即滲碳?xì)夥杖绫�烷或者丙烷與空氣制備的吸熱式氣氛（即Rx氣體)。此時(shí)碳和氮（主要的）同時(shí)滲入鋼表面并擴(kuò)散，成為氣體軟氮化或低溫氣體氮碳共滲。氨氣采用工業(yè)用瓶裝液氨即可。

由于氨有強(qiáng)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(duì)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(fēng)良好的車間不會(huì)造成不良后果。氨氣接觸皮膚也會(huì)有灼傷的感覺，也應(yīng)避免。如果受氨氣輕度中毒，可喝一點(diǎn)淡的檸檬汁或醋溶液，能起緩解作用。

總之，在操作過程中，應(yīng)遵守安全操作規(guī)程。

氣體滲氮設(shè)備，主要由兩大部分組成。一部分是爐體及附帶的控制測(cè)量儀表等；一部分為輸送滲氮?dú)怏w和排廢氣的管路系統(tǒng)。

氣體滲氮設(shè)備的特點(diǎn)和基本要求：

1) 滲氮罐和管路系統(tǒng)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(duì)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(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)，一般規(guī)定在有效加熱區(qū)（工作區(qū)）內(nèi)溫差應(yīng)≤10℃。

3) 爐溫的測(cè)量和控制應(yīng)精確。

4)管路系統(tǒng)應(yīng)合理和暢通。滲氮介質(zhì)應(yīng)均勻地與零件表面接觸。在可能條件下都裝有風(fēng)扇或氣體循環(huán)裝置。

我國電爐制造廠已有標(biāo)準(zhǔn)的氣體滲氮爐或軟氮化爐供應(yīng)。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(gè)需要滲氮的模具零件，從原材料或毛坯經(jīng)過各種冷熱加工工序到成品的整個(gè)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(zhì)量，對(duì)滲氮質(zhì)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(fù)雜零件或滲氮變形要求小的精密零件，滲氮前要經(jīng)過消除應(yīng)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(yù)先熱處理淬火和高溫回火工序按常規(guī)工藝。工件不需要滲氮的表面，現(xiàn)在市場(chǎng)上有專用的防滲氮涂料可用。•其他如電鍍保護(hù)層（鍍銅、鍍銅錫合金、鍍鎳等）均可，但成本高。

裝爐：

1) 裝爐時(shí)應(yīng)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(jìn)行，不宜久置；

3) 工件應(yīng)放在加熱爐（滲氮爐）的有效加熱區(qū)內(nèi)，有效加熱區(qū)按GB/T9452一1988測(cè)定；

4) 工件放置或吊掛應(yīng)均勻，不宜重疊、表面貼緊等不利于滲氮或放置不當(dāng)而造成過大變形。吊具應(yīng)清潔，并用涂層保護(hù)，減少對(duì)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(nèi)原有的空氣。過去用惰性氣體，到溫后再換成氨氣，這樣不經(jīng)濟(jì)。一般直接通氨氣。氨氣在300℃以上即完全分解。

2) 檢驗(yàn)爐子及管路系統(tǒng)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(yīng)分段控制和測(cè)量。

滲氮工藝：

氣體滲氮主要控制的工藝參數(shù)是滲氮溫度、滲氮保溫時(shí)間、氨分解率等。氨氣流量反而是輔助指標(biāo)。滲氮溫度隨鋼種不同及技術(shù)要求不同而異。多數(shù)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(kuò)散。高溫短時(shí)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(shí)要避開回火脆性區(qū)。這也是在選取滲氮溫度時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮的。

模具鋼多數(shù)含有Mo元素，回火脆性現(xiàn)象不嚴(yán)重。滲氮保溫時(shí)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(nèi)，隨著時(shí)間延長深度增加。

氨分解率是衡量滲氮?dú)夥铡暗獎(jiǎng)荨薄�—滲氮能力的指標(biāo)。模具鋼工件不希望在氮?jiǎng)莞叩臍夥罩袧B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(yīng)采取擴(kuò)散處理，通常所說退氮。在極高氨分解率下，即氮?jiǎng)輼O低的氣氛中并適當(dāng)提高溫度下擴(kuò)散2-4h,使表面氮濃度降低，部分消除脆性的白亮層。

滲氮結(jié)束后應(yīng)緩慢冷卻，一般是隨爐冷卻，此時(shí)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(xiàn)氧化色如紫色、黃色等，也不影響使用性能。

需要特別強(qiáng)調(diào)的是：不同的模具零件，采用不同的鋼種，有不同的技術(shù)要求，所以具體零件的滲氮工藝要結(jié)合具體的實(shí)際生產(chǎn)條件有所調(diào)整。對(duì)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(guī)范，可供參考。

氣體滲氮工藝可參閱熱處理工藝標(biāo)準(zhǔn)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(fā)展起來的新技術(shù)，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(yōu)點(diǎn)外，還有：

1) 可以較容易地控制滲氮層的組織，不出現(xiàn)脆性的白亮層；

2) 變形更小；

3) 少、無污染。

4) 離子滲氮的初期滲速快，對(duì)要求薄滲氮層的模具零件更顯優(yōu)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(guī)范

但是它的缺點(diǎn)是：

1) 設(shè)備費(fèi)用貴；

2) 操作比氣體滲氮復(fù)雜，需要控制的工藝參數(shù)多，測(cè)量溫度和控制溫度均勻比較難。

3) 裝爐有嚴(yán)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(xiàn)滲層不均勻等疵病，造成廢品或返修。有時(shí)需要配置輔助陽極等。

離子滲氮裝置包括名佳利爐體設(shè)備和輔助系統(tǒng)。設(shè)備為帶微機(jī)裝置的種罩爐，輔助系統(tǒng)有真空系統(tǒng)和輸氣系統(tǒng)。

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(jīng)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(dá)到900-1200HV0.2,此時(shí)y'相的厚度為2.5-5.0μm，擴(kuò)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(dá)950-1200HV0.2,—般無化合物相，擴(kuò)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(shí)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(dāng)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(jīng)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(jìn)行離子滲氮選擇鋼種時(shí)，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?cè)?020-1080℃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(qiáng)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(duì)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(dāng)于W18Cr4V(GB)]和冷作模具鋼X12MO[相當(dāng)于Cr12MoV(GB)]在520℃、56(TC氣體滲氮的保溫時(shí)間對(duì)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(guī)范與滲氮層硬度和深度的關(guān)系。

俄國鋼號(hào)與中國近似鋼號(hào)對(duì)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(guān)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(hào)對(duì)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(jīng)離子滲氮后表面層無白亮層和氮化物網(wǎng)狀組織。圖3-11表示了美國Nitralloy135M鋼[相當(dāng)于38CrMoAlA(GB)],滲氮層的硬度分布。這個(gè)硬度分布是在處理后沒有產(chǎn)生白亮層或氮化物網(wǎng)狀組織的情況下得到的。

離子滲氮工藝可參閱機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(cè)，可參閱標(biāo)準(zhǔn)GB/T9451—1988《鋼件薄表面總硬化層或有效硬化層深度的測(cè)量方法》；GB/T11354—1989《鋼鐵零件滲氮層深度測(cè)定和金相組織檢驗(yàn)》。

滲氮模具零件的熱處理技術(shù)要求，應(yīng)在零件圖樣上標(biāo)注清楚，它包括明確的要求，如滲氮層的表面硬度，檢測(cè)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(qiáng)度等。具體內(nèi)容可參閱機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T8555^1997《熱處理技術(shù)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(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處！ 2016-4-26