冷冲压模具的化学热处理工艺之“渗氮”详细讲解《一》

发布网友 发布时间：2024-10-24 02:51

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渗氮是将模具零件置于含有活性氮原子的气氛中，加热至特定温度并保温一段时间，使氮原子渗入工件表面形成氮化物的热处理工艺。其主要目的是提升表面硬度、耐磨性、疲劳性能和耐蚀性能。与渗碳相比，渗氮可提供更高的表面硬度和耐磨性，适用于冷、热模具。渗氮过程通常包括模具的调质处理，以确保不影响整体性能。渗氮后，模具零件的变形较小。由于模具在渗氮前通常需要进行调质处理，渗氮温度一般不超过调质处理的回火温度，通常为500-570℃。

渗氮方法多样，包括气体渗氮、液体渗氮、固体渗氮和离子渗氮等。常规气体渗氮周期较长，生产率低，费用高，对材料要求严格，限制了其应用。液体渗氮虽然具有较低的温度、较短的时间和较小的模具变形，但需考虑盐浴的毒性及防止措施。近年来，真空渗氮、电解催渗氮等新工艺逐渐成熟并广泛应用。

为了确保渗氮效果，模具通常选用含有Al、Cr和Mo元素的钢种，以便形成AlN、CrN和MoN等氮化物。常用钢种包括Cr12、Cr12MoV、3Cr2W8V、38CrMoAl、4Cr5MoSiV、4Cr5W2VSi、5CrMnMo、5CrNiMo等。渗氮通常作为模具制造过程的最后一道工序，处理后仅需少量的精磨或研磨加工。在渗氮前，模具一般需要进行调质处理，以获得回火索氏体组织。渗氮层具有优良的耐磨性，对冷、热模具都适用。例如，3Cr2W8V钢压铸模、挤压模等经调质并在520-540℃渗氮后，使用寿命可提高2-3倍。

气体渗氮通常在井式炉内进行，通过将已除油净化的工件放入密封炉内加热并通入氨气。氨气在380℃以上分解出活性氮原子，这些原子被钢表面吸收，形成固熔体和氮化物，然后向内扩散以获得一定深度的渗氮层。常用的气体渗氮温度为550-570℃，渗氮时间取决于所需渗氮层深度。渗氮层深度通常为0.4-0.6mm，渗氮时间一般为40-70小时，因此气体渗氮的生产周期较长。

在进行渗氮前，模具需要经过充分的准备。包括进行调质处理以获得回火索氏体组织，对于形状复杂的精密模具，还需要进行消除应力处理，以减少渗氮过程中的变形。在装炉前，模具表面需要进行去油、脱脂和清洗，确保表面干净无锈蚀和脏物。如果某些模具部位不需要渗氮，可以采用涂料方法防止渗氮。

为了确保渗氮质量，可以在渗氮罐的适当部位放置试样，以检查渗氮层深度、表面硬度和金相组织。渗氮介质通常使用工业合成液氨，渗氮可在密封的箱式或井式炉中进行。渗氮工艺参数包括温度、时间、氨分解率等，这些参数对渗氮层的表面硬度和深度有着显著影响。渗氮温度和氨分解率的调整可以影响渗氮层的硬度、层深和模具变形量。

热处理生产中常用的三种渗氮方法包括一段渗氮法、二段渗氮法和三段渗氮法。一段渗氮法采用恒定的渗氮温度和氨分解率，适用于要求高硬度、低变形的浅层渗氮。二段渗氮法则通过在第一阶段采用较低的渗氮温度和氨分解率，使工件表面形成弥散度高的高硬度合金氮化物层；第二阶段提高渗氮温度和氨分解率，加快氮的扩散速度，以缩短渗氮时间。三段渗氮法则在二段渗氮法的基础上增加低温阶段，以便调整氨分解率，减少模具表面的高氮脆性或补充表面氮含量的消耗。

离子渗氮则是在离子渗氮炉中进行的，通过利用工件（阴极）和炉壁（阳极）间的辉光放电现象进行处理。将工件置于离子渗氮炉中的托盘上，通入400-750V的直流电，氨气被电离成氮和氢的正离子及电子。具有高能量的氮离子以很大速度轰击工件表面，将动能转变为热能，使表面温度升高至450-650℃，同时氮离子在阴极上获得电子后还原为氮原子并渗入工件表面，形成渗氮层。离子渗氮的主要工艺参数包括真空度、气体压力、电流密度、辉光电压、渗氮温度、极间距离和渗氮时间等。

离子渗氮速度快，渗层韧性好，模具变形小，是目前较为普及的渗氮工艺。它广泛应用于处理热锻模、冷挤压模、压铸模、冷冲模等，显著提高了模具的使用寿命。