模具氮化处理存在的问题及对策
2003-07-02 00:00 来源： 我的钢铁 作者：mysteel
摘要：简要介绍了模具氮化处理中存在的缺陷和危害，分析了产生的原因，并探讨了减少和防止模具渗氮缺陷产生的工艺措施。
关键词：氮化处理 渗氮缺陷 对策 模具
1、引言
模具进行氮化处理可显著提高模具表面的硬度、耐磨性、抗咬合性、抗腐蚀性能和疲劳性能。由于渗氮温度较低，一般在500-650℃范围内进行，渗氮时模具芯部没有发生相变，因此模具渗氮后变形较小。一般热作模具钢（凡回火温度在550-650℃的合金工具钢）都可以在淬火、回火后在低于回火温度的温度区内进行渗氮；一般碳钢和低合金钢在制作塑料模时也可在调质后的回火温度下渗氮；一些特殊要求的冷作模具钢也可在氮化后再进行淬火、回火热处理。
实践证明，经氮化处理后的模具使用寿命显著提高，因此模具氮化处理已经在生产中得到广泛应用。
但是，由于工艺不正确或操作不当，往往造成模具渗氮硬度低、深度浅、硬度不均匀、表面有氧化色、渗氮层不致密、表面出现网状和针对氮化物等缺陷，严重影响了模具使用寿命。因此研究模具渗氮层缺陷、分析其产生的原因、探讨减少和防止渗氮缺陷产生的工艺措施，对提高模具的产品质量，延长使用寿命具有十分重要的意义。
2、模具渗氮层硬度偏低
模具渗氮表层硬度偏低会降低模具的耐磨性能，大大减少渗氮模具的使用寿命。
2.1渗氮模具表面硬度偏低的原因
（1）渗氮模具表层含氮量低。
这是由于渗氮时炉温偏高或者在渗氮第二阶段的氨分解率过高，即炉内氮气氛过低。
（2）模具预先热处理后基体硬度太低。
（3）渗氮炉密封不良、漏气或初用新的渗氮罐。
2.2预防措施
（1）适当降低渗氮温度，对控温仪表要经常校正，保持适当的渗氮温度。
（2）模具装炉后应缓慢加热，在渗氮第一阶段应适当降低氨分解率。
（3）渗氮炉要密封，对漏气的马弗罐应及时更换。新渗氮罐要进行预渗氮，使炉内氨分解率达到平稳。
（4）对因渗氮层含量较低的模具可进行一次补充渗氮，其渗氨工艺为：渗氮温度520℃，渗氮时间8-10h，氨分解率控制在20%-30%。
（5）在模具预先热处理时要适当降低淬火后的回火温度，提高模具的基体硬度。
3、模具渗氮层浅
模具渗氮层浅将会缩短模具硬化层耐磨寿命。
3.1模具渗氮层偏浅的原因
（1）模具渗氮时间太短、渗氮温度偏低、渗氮炉有效加热区的温度分布不均匀、渗氮过程第一阶段氮浓度控制不当（氨分解率过高或过低）等。
（2）模具装炉前未清除掉油污及装炉量过多、模具间距太近。
3.2预防措施
（1）要严格控制装炉前模具表面质量、装炉量、炉内温差和氮气氛、渗氮时间和温度。
（2）加强渗氮炉密封，保证炉内氮气氛循环正常。并按工艺要求控制氨分解率。
（3）对已经出现渗氮层不足的模具可进行二次渗氮，严格按照渗氮第二阶段工艺补充渗氮。
4、模具渗氮层硬度不均匀或有软点
模具渗氮层不均匀或有软点将会使模具在使用时性能不稳定，薄弱区域首先磨损较多，造成整个模具的早期损坏失效，严重影响模具的使用寿命。
4.1硬度不均匀或有软点的原因
（1）由于渗氮炉上、下不均衡加热或气流不通畅，炉内温度不均匀。
（2）氨气通入管道局部堵塞，影响炉内氮气氛；炉内氮气循环不良。
（3）模具装前未很好清理表面油污。
（4）渗氮炉内模具装载太多或炉内模具间距太小、部分有接触。
4.2预防措施
（1）严格控制渗氮炉内上、下区炉温，使其始终保持在同一温度区内。
（2）定期清理氨气进行管道，保持管道的通畅。
（3）模具装炉前需用汽油或酒精等脱指，经过清洗后的模具表面不能有油污或其它脏物。
（4）模具装筐时，模具间要保持一定距离，严防模具工作面接触和重叠。
（5）炉内气氛循环要充分，渗氮炉要密封好，对漏气的马弗罐应及时更换。
5、模具渗氮后表面有氧化色
模具渗氮后发生表面氧化不仅影响模具外观质量，而且影响模具表面的硬度和耐磨性，严重影响模具使用寿命。
5.1模具渗氮后表面氧化的原因
（1）气体渗氮罐漏气或炉盖密封不良。
（2）提供氨气的干燥装置中的干燥剂失效，通入炉中的氨气含有水分。
（3）渗氮结束后随炉冷却时供氧不足造成罐内负压，吸入空气造成氧化色。
（4）模具氮化后出炉温度过高在空气中氧化。
5.2预防措施
（1）要经常检查设备，对漏气的马弗罐应及时更换，要保持炉盖密封良好。
（2）氨气干燥装置中的干燥剂要定期更换。
（3）渗氮后的模具最好采用油冷。对要求严格控制变形的模具在渗氮结束冷却陧要继续提供少量氨气，避免炉内产生负压。出炉温度控制在200℃以下，避免渗氮模具在空气中氧化。
（4）对已经产生氧化的渗氮模具可在低压下喷细砂清除，并重新加热到510℃左右再进行4h渗氮，渗氮后炉冷至200℃以下出炉。
6、模具渗氮后变形
要求严格控制变形的模具，在渗氮后如产生超差变形将会影响模具的装配使用，严重的会造成模具报废。
6.1模具渗氮后变形的原因
（1）模具结构设计不合理、形状复杂等。模具在机械加工后的残余应力未能很好消除。
（2）气体渗氮炉内温度不均匀，模具装炉后加热升温过快或出炉时冷却速度太快。
（3）因渗氮层比容大而产生的组织应力带来形状变化，渗层愈厚影响愈大。因此若工艺参数不当，渗氮温度过高、时间过长、氮势过高、产生过厚渗氮层等就会使变形增大。
（4）模具装炉方法不合理，炉内温度不均匀、氨气流不稳不畅等。
6.2预防措施
（1）设计制造模具时应该尽量使模具结构对称合理，避免厚薄悬殊。
（2）对淬火后的模具应充分进行回火，对机械加工后的模具应进行退火消除应力。
（3）制定合理的渗氮工艺。尽量采用合理的装炉量、较低的渗氮温度、合适的氮化层深度和氮气氛。对变形要求较小的形状复杂的模具应严格控制加热和冷却速度，升温速度应低于50℃/h，300℃以上每升温100℃保温1h；冷却时要随炉降温，出炉温度应低于200℃，并应检查炉温，严格控制渗氮炉上下区的温差。
7、模具渗氮后表层出现网状及波纹状、针状或鱼骨状氮化物及厚的白色脆性层
模具渗氮后表层出现网状及波纹状、针状或鱼骨状氮化物及厚的白色脆性层将会导致模具韧性降低、脆性增加、耐冲击性能减弱、产生疲劳剥落、耐磨性能降低，大大降低模具的使用寿命。
7.1模具氮化层出现网状、波纹状、针状或鱼骨状缺陷的原因
（1）一些热处理厂家片面强调提高劳动生产率，在制定工艺文件和实际操作时渗氮温度过高、升温加热和降温冷却速度过快；控温仪表失灵、炉内实际温度比仪表指标温度高。如温度过高时扩散层中的氮化物便聚集长大、弥散度下降、在晶界下形成高氮相的网状或波纹状组织。
（2）模具预备热处理时淬火加热温度过高、模具基体晶粒过大。
（3）液氨含水量高，通入气体渗氮炉中的氨气含有水分。
（4）模具设计制造不合理，有尖角锐边。
（5）气体渗氮炉中氛安解率太低 即氮势过高。
（6）预备热处理时，淬火加热未在保护气氛中进行，模具表层脱碳严重，在惨氮后极易出现针状、鱼骨状氮化物。
7.2预防措施
（1）正确制定模具氮化处理工艺，氮化温度选择在500-580℃，一般不要超过580℃，并定期对控温仪表进行校正，升温加热速度不宜过快。
（2）模具预备热处理的淬火加热温度不宜过高，以免模具材料内部组织中马氏体晶粒过大；加热应在保护气氛中进行，避免模具氧化脱碳；调质件应在机械加工中把脱碳层切除掉。
（3）氨气要经过干燥装置再通入渗氮炉中，干燥剂要定期更换。
（4）模具设计制造时应尽量避免锐角尖边。
（5）严格控制渗氮炉中的氨分解率，不应使炉中氨势过高。
（6）对已经产生网状及波纹状氮化物的模具可在540℃左右的炉中进行10-15h的扩散处理，以便有效消除模具氮化层中的网状及波纹状氮化物。
8、模具渗氮层不致密、抗蚀性差
模具如在潮湿或碱性工作环境中工作，还应具有一定的抗蚀性。有抗蚀要求的模具如因渗氮层不致密而导致抗蚀性差将会使模具在使用时发生锈蚀，使模具早期失效，影响模具的使用寿命。
8.1模具渗氮层不致密原因
（1）模具氮化前表面粗糙度大。
（2）模具装炉前表面有锈蚀，影响渗氮层质量。
（3）气体渗氮炉内氨分解率过高，模具渗氮层表面氮浓度太低。
（4）在一定的温度下，渗氮时间太短，模具渗氮层渗氮不足。
8.2预防措施
（1）为了保证抗蚀渗氮层的质量，零件应预先进行正火或调质处理，模具表面的粗糙度要小，其抗蚀性能才会愈好。
（2）模具渗氮装炉前应仔细清理其表面，不得有锈蚀存在。
（3）模具渗氮时应采用合适的氨分解率，合理的渗氮时间，渗氮后应快冷。
（4）对渗氮层不致密的模具把其表面清理干净后严格按照气体渗氮工艺规则再进行一次渗氮。
9、结束语
本文简要论述了模具渗氮后渗氮层硬度低、渗氮层浅、模具表面硬度不均有软点、渗氮后表面有氧化色、渗氮后变形大、渗氮后表层出现渗氮层不致密及抗蚀性差等缺点的特征、危害性、产生原因及其预防措施。
模具氮化时要严格执行渗氮工艺规则及操作规程，严把每道工序的质量关，如发生模具氮化缺陷要认真分析其原因，找出解决的方法。只有这样才能提高模具氮化的质量，延长模具使用寿命。
（作者：温州热处理厂 赵昌盛 居建村）
关键词：氮化处理 渗氮缺陷 对策 模具
1、引言
模具进行氮化处理可显著提高模具表面的硬度、耐磨性、抗咬合性、抗腐蚀性能和疲劳性能。由于渗氮温度较低，一般在500-650℃范围内进行，渗氮时模具芯部没有发生相变，因此模具渗氮后变形较小。一般热作模具钢（凡回火温度在550-650℃的合金工具钢）都可以在淬火、回火后在低于回火温度的温度区内进行渗氮；一般碳钢和低合金钢在制作塑料模时也可在调质后的回火温度下渗氮；一些特殊要求的冷作模具钢也可在氮化后再进行淬火、回火热处理。
实践证明，经氮化处理后的模具使用寿命显著提高，因此模具氮化处理已经在生产中得到广泛应用。
但是，由于工艺不正确或操作不当，往往造成模具渗氮硬度低、深度浅、硬度不均匀、表面有氧化色、渗氮层不致密、表面出现网状和针对氮化物等缺陷，严重影响了模具使用寿命。因此研究模具渗氮层缺陷、分析其产生的原因、探讨减少和防止渗氮缺陷产生的工艺措施，对提高模具的产品质量，延长使用寿命具有十分重要的意义。
2、模具渗氮层硬度偏低
模具渗氮表层硬度偏低会降低模具的耐磨性能，大大减少渗氮模具的使用寿命。
2.1渗氮模具表面硬度偏低的原因
（1）渗氮模具表层含氮量低。
这是由于渗氮时炉温偏高或者在渗氮第二阶段的氨分解率过高，即炉内氮气氛过低。
（2）模具预先热处理后基体硬度太低。
（3）渗氮炉密封不良、漏气或初用新的渗氮罐。
2.2预防措施
（1）适当降低渗氮温度，对控温仪表要经常校正，保持适当的渗氮温度。
（2）模具装炉后应缓慢加热，在渗氮第一阶段应适当降低氨分解率。
（3）渗氮炉要密封，对漏气的马弗罐应及时更换。新渗氮罐要进行预渗氮，使炉内氨分解率达到平稳。
（4）对因渗氮层含量较低的模具可进行一次补充渗氮，其渗氨工艺为：渗氮温度520℃，渗氮时间8-10h，氨分解率控制在20%-30%。
（5）在模具预先热处理时要适当降低淬火后的回火温度，提高模具的基体硬度。
3、模具渗氮层浅
模具渗氮层浅将会缩短模具硬化层耐磨寿命。
3.1模具渗氮层偏浅的原因
（1）模具渗氮时间太短、渗氮温度偏低、渗氮炉有效加热区的温度分布不均匀、渗氮过程第一阶段氮浓度控制不当（氨分解率过高或过低）等。
（2）模具装炉前未清除掉油污及装炉量过多、模具间距太近。
3.2预防措施
（1）要严格控制装炉前模具表面质量、装炉量、炉内温差和氮气氛、渗氮时间和温度。
（2）加强渗氮炉密封，保证炉内氮气氛循环正常。并按工艺要求控制氨分解率。
（3）对已经出现渗氮层不足的模具可进行二次渗氮，严格按照渗氮第二阶段工艺补充渗氮。
4、模具渗氮层硬度不均匀或有软点
模具渗氮层不均匀或有软点将会使模具在使用时性能不稳定，薄弱区域首先磨损较多，造成整个模具的早期损坏失效，严重影响模具的使用寿命。
4.1硬度不均匀或有软点的原因
（1）由于渗氮炉上、下不均衡加热或气流不通畅，炉内温度不均匀。
（2）氨气通入管道局部堵塞，影响炉内氮气氛；炉内氮气循环不良。
（3）模具装前未很好清理表面油污。
（4）渗氮炉内模具装载太多或炉内模具间距太小、部分有接触。
4.2预防措施
（1）严格控制渗氮炉内上、下区炉温，使其始终保持在同一温度区内。
（2）定期清理氨气进行管道，保持管道的通畅。
（3）模具装炉前需用汽油或酒精等脱指，经过清洗后的模具表面不能有油污或其它脏物。
（4）模具装筐时，模具间要保持一定距离，严防模具工作面接触和重叠。
（5）炉内气氛循环要充分，渗氮炉要密封好，对漏气的马弗罐应及时更换。
5、模具渗氮后表面有氧化色
模具渗氮后发生表面氧化不仅影响模具外观质量，而且影响模具表面的硬度和耐磨性，严重影响模具使用寿命。
5.1模具渗氮后表面氧化的原因
（1）气体渗氮罐漏气或炉盖密封不良。
（2）提供氨气的干燥装置中的干燥剂失效，通入炉中的氨气含有水分。
（3）渗氮结束后随炉冷却时供氧不足造成罐内负压，吸入空气造成氧化色。
（4）模具氮化后出炉温度过高在空气中氧化。
5.2预防措施
（1）要经常检查设备，对漏气的马弗罐应及时更换，要保持炉盖密封良好。
（2）氨气干燥装置中的干燥剂要定期更换。
（3）渗氮后的模具最好采用油冷。对要求严格控制变形的模具在渗氮结束冷却陧要继续提供少量氨气，避免炉内产生负压。出炉温度控制在200℃以下，避免渗氮模具在空气中氧化。
（4）对已经产生氧化的渗氮模具可在低压下喷细砂清除，并重新加热到510℃左右再进行4h渗氮，渗氮后炉冷至200℃以下出炉。
6、模具渗氮后变形
要求严格控制变形的模具，在渗氮后如产生超差变形将会影响模具的装配使用，严重的会造成模具报废。
6.1模具渗氮后变形的原因
（1）模具结构设计不合理、形状复杂等。模具在机械加工后的残余应力未能很好消除。
（2）气体渗氮炉内温度不均匀，模具装炉后加热升温过快或出炉时冷却速度太快。
（3）因渗氮层比容大而产生的组织应力带来形状变化，渗层愈厚影响愈大。因此若工艺参数不当，渗氮温度过高、时间过长、氮势过高、产生过厚渗氮层等就会使变形增大。
（4）模具装炉方法不合理，炉内温度不均匀、氨气流不稳不畅等。
6.2预防措施
（1）设计制造模具时应该尽量使模具结构对称合理，避免厚薄悬殊。
（2）对淬火后的模具应充分进行回火，对机械加工后的模具应进行退火消除应力。
（3）制定合理的渗氮工艺。尽量采用合理的装炉量、较低的渗氮温度、合适的氮化层深度和氮气氛。对变形要求较小的形状复杂的模具应严格控制加热和冷却速度，升温速度应低于50℃/h，300℃以上每升温100℃保温1h；冷却时要随炉降温，出炉温度应低于200℃，并应检查炉温，严格控制渗氮炉上下区的温差。
7、模具渗氮后表层出现网状及波纹状、针状或鱼骨状氮化物及厚的白色脆性层
模具渗氮后表层出现网状及波纹状、针状或鱼骨状氮化物及厚的白色脆性层将会导致模具韧性降低、脆性增加、耐冲击性能减弱、产生疲劳剥落、耐磨性能降低，大大降低模具的使用寿命。
7.1模具氮化层出现网状、波纹状、针状或鱼骨状缺陷的原因
（1）一些热处理厂家片面强调提高劳动生产率，在制定工艺文件和实际操作时渗氮温度过高、升温加热和降温冷却速度过快；控温仪表失灵、炉内实际温度比仪表指标温度高。如温度过高时扩散层中的氮化物便聚集长大、弥散度下降、在晶界下形成高氮相的网状或波纹状组织。
（2）模具预备热处理时淬火加热温度过高、模具基体晶粒过大。
（3）液氨含水量高，通入气体渗氮炉中的氨气含有水分。
（4）模具设计制造不合理，有尖角锐边。
（5）气体渗氮炉中氛安解率太低 即氮势过高。
（6）预备热处理时，淬火加热未在保护气氛中进行，模具表层脱碳严重，在惨氮后极易出现针状、鱼骨状氮化物。
7.2预防措施
（1）正确制定模具氮化处理工艺，氮化温度选择在500-580℃，一般不要超过580℃，并定期对控温仪表进行校正，升温加热速度不宜过快。
（2）模具预备热处理的淬火加热温度不宜过高，以免模具材料内部组织中马氏体晶粒过大；加热应在保护气氛中进行，避免模具氧化脱碳；调质件应在机械加工中把脱碳层切除掉。
（3）氨气要经过干燥装置再通入渗氮炉中，干燥剂要定期更换。
（4）模具设计制造时应尽量避免锐角尖边。
（5）严格控制渗氮炉中的氨分解率，不应使炉中氨势过高。
（6）对已经产生网状及波纹状氮化物的模具可在540℃左右的炉中进行10-15h的扩散处理，以便有效消除模具氮化层中的网状及波纹状氮化物。
8、模具渗氮层不致密、抗蚀性差
模具如在潮湿或碱性工作环境中工作，还应具有一定的抗蚀性。有抗蚀要求的模具如因渗氮层不致密而导致抗蚀性差将会使模具在使用时发生锈蚀，使模具早期失效，影响模具的使用寿命。
8.1模具渗氮层不致密原因
（1）模具氮化前表面粗糙度大。
（2）模具装炉前表面有锈蚀，影响渗氮层质量。
（3）气体渗氮炉内氨分解率过高，模具渗氮层表面氮浓度太低。
（4）在一定的温度下，渗氮时间太短，模具渗氮层渗氮不足。
8.2预防措施
（1）为了保证抗蚀渗氮层的质量，零件应预先进行正火或调质处理，模具表面的粗糙度要小，其抗蚀性能才会愈好。
（2）模具渗氮装炉前应仔细清理其表面，不得有锈蚀存在。
（3）模具渗氮时应采用合适的氨分解率，合理的渗氮时间，渗氮后应快冷。
（4）对渗氮层不致密的模具把其表面清理干净后严格按照气体渗氮工艺规则再进行一次渗氮。
9、结束语
本文简要论述了模具渗氮后渗氮层硬度低、渗氮层浅、模具表面硬度不均有软点、渗氮后表面有氧化色、渗氮后变形大、渗氮后表层出现渗氮层不致密及抗蚀性差等缺点的特征、危害性、产生原因及其预防措施。
模具氮化时要严格执行渗氮工艺规则及操作规程，严把每道工序的质量关，如发生模具氮化缺陷要认真分析其原因，找出解决的方法。只有这样才能提高模具氮化的质量，延长模具使用寿命。
（作者：温州热处理厂 赵昌盛 居建村）
