氮化炉的氮化工艺(热作模具钢氮化技术的发展及分析)

Posted 2023-05-30

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氮化炉的氮化工艺(热作模具钢氮化技术的发展及分析)

热作模具钢工作时，其模腔表面与热态金属长时间接触，易出现打垛，粘合现象。同时模腔反复的受热和冷却，相当于受有一种交变热的应力作用，易出现龟裂、即热疲劳现象。采用一般的强化处理(如淬火+回火)需附加表面的保护措施且易产生较大的变形。氮化处理无疑是- -种良策。氮化温度一般在500度左右，不超过心部的调质回火温度，不仅可以保持心部的强韧性，而且渗氮后缓冷或空冷，可以实现低变形下的表面硬化处理。研究表明，热作模具氮化处理后，可以提高其热硬性，耐磨性，减少模具。与零件的粘合现象，龟裂现象，提高抗热疲劳性能，延长模具的工作寿命。

目前，实用的氮化表面热处理中，除了早期进行的气体氮化外，有盐浴氮化、气体软氮化、离子氮化等，近年来，一种新的氮化工艺——真空氮化处理，正在成为有潜在发展趋势的表面热处理技术。本文仅就热作模具钢渗氮工艺及发展进行分析。

气体氮化

气体氮化又称为硬氮化，早期在金属压铸模上用气体氮化来代替淬火。其工艺路线一般为:毛坯成型一调质处理一机械加工一除应力处理一氮化一磨削。气体氮化裂纹敏感性大，需将此层磨去后使用。此外，由于铁的氮化物(Fe2N、FeN、FeN)稳定性差，易于集聚粗化，硬度较低，常选用含强氮化物形成元素的低碳及中碳合金钢，形成氮化物的元素均可提高氮化层硬度，但却降低了氮原子在钢中的扩散速度，氮化速率仅为0.01 ~ 0.015mm/h，以热作模具钢的典型钢种3Cr2W8V为例，采用两段氮化其氮化时间达50小时以上。由于上述问题的存在，从七十年代以后，随着氮化技术的不断发展，气体氮化在模具上的应用逐渐减少。

软氮化

所谓软氮化是将模具在低温(520~590度)进行碳氮共渗(主要是渗氮)的过程，它的主要优点是：适用的钢材更为广泛，无需选用特殊的氮化钢，对一般的结构钢、工模具钢均可适用；除渗氮外，还渗有一定的碳，软氮化温度下，碳在a-Fe中的溶解度很低，碳的扩散速度比氮原子慢，因而钢的表面层首先被碳饱和，对氮化过程起着媒介和加速作用，软氮化的时间比气体氮化大大缩短。它不但脆性和裂纹敏感性小，而且还具有耐磨、抗咬合和抗蚀等重要性能，使用前不用磨去。软氮化的渗层较薄，不宜在重载下工作。对不承受大的载荷，而又需抗疲劳、抗磨损、抗咬合的热作模具软氮化十分适用。

离子氮化

与气体软氮化同步发展的是离子氮化。离子氮化是利用稀薄气体的辉光放电现象进行氮化的方法。是目前最成熟的离子热处理工艺其最大特点是：渗层组织和相组成可以控制，通过调整工艺参数，可获得纯扩散层，单相化合物层等，如N:/H2≤1时，化合物层是由韧性较高，厚度为10微米左右的r(FeN)单相组成，且氮化层内N的浓度梯度小，因而与基体结合比较牢固。而普通气体氮化时。化合物层由e+Y双相组成，由于二者比容不一造成局部拉应力区域，以及氮化层内N浓度梯度大，化合物层基体结合不很牢固，因而脆性大于离子氮化。与普通气体氮化相比，离子氮化具有速度快，质量高，变形小，可实现氮势控制，不污染环境，氨气消耗少和易于防渗等特点，而且由于离子轰击和氢气的还原作用，能有效去除表面钝化膜。但若工件表面有油污，毛刺，盲孔，或供氮不稳定，易使辉光由异常放电过渡到弧光放电，影响氮化进行。目前离子渗氮在模具上的应用之关键技术是根据其特点，合理选用工艺参数，以期获得提高离子渗氨效能与成本之比，

真空氮化

真空氮化的出现代表了氮化技术的最新发展方向，它真正实现了生产的无污染和工件的少畸变，目前正在成为模具生产中最有应用价值的技术。

真空氮化是使用真空炉对模具进行整体加热，充人少量气体，在低压状态下产生活性氮原子渗人并向钢中扩散而实现硬化的。其特点是通过真空技术，使金属表面活性化和清净化。在加热、保温、冷却的整个热处理过程中，不纯的微量气体被排出，含活性物质的纯净复合气体被送人，使表面层相结构的调整和控制、质量的改善、效率的提高成为可能。真空氮化和软氮化一样是碳氮共渗过程，但由于氮化时将真空炉排气至较高真空度，同时送人以氨气为主的，含有活性物的多种复合气体，并对各种气体的送入量进行精确控制，真空渗氮处理后，渗层中的化合物层是e单相组织，没有其它脆性相存在，所以硬度高，韧性好，分布也好。无脆性相的单相ε化合物层的耐磨性比气体软氮化组织的耐磨性高，抗摩擦烧伤、抗热咬合、抗熔敷、抗熔损性能都很优异，但该“白层”的存在对有些模具也有不利之处，易使锻模在锻造初期引起龟裂，焊接修补时易生成针孔.但真空渗氮的另一个优点就是通过对送人炉内的含活化物质的复合气体的种类和量的控制，可以得到几乎没有化合物层(白层)，而只有扩散层的组织。但仅有扩散层组织时，模具的抗咬合性、耐熔敷、熔损性能不够好，因此需要根据各类热作模具的服役条件和性能要求，调整表面层的组织和性能。这就要求合理选择工艺，包括渗氮温度、炉压控制、气体浓度、材质成分等，从而获得理想的表面层相结构及使用性能。此方面尚有大量的工作需要做。