模具钢材氮化缺陷的原因分析及解决方案

氮化是将活性氮[N]原子渗入钢件表面，形成氮化层，是现代化学改性强化处理工艺方法之一。当代辉光离子氮化、双程氮化、三段氮化和预氧化双程氮化及稀土(RE)催渗氮化等方法发展了传统钢件氮化工艺，使氮化质量达到新水平。氮化层具有高硬度、高耐磨、抗疲劳、抗粘结、抗腐蚀、抗擦伤和热硬性与畸变小等模具所需宝贵特性．广泛应用于模具制造业。

将成品模具置于密封氮化炉中，通入氮化介质氨(NH3)气，加热至500℃~650℃，发生热分解：2NH3→ 2［N］+3H2。分解活性［N］原子被钢件表面吸收，并向金属内部扩散，首先溶解在α-Fe中形成固溶体，饱和后逐渐形成氮化物层，其维氏硬度高达1000Hv，具有上述宝贵特性。模具表面呈银灰色。不论是热作模具或是冷作模具．根据模具化学改性强化处理需要．氮化可放在最终淬火之前或最终回火之后进行。模具经氮化处理后可成倍提高模具寿命。但在实际生产中，因种种原因会产生各种各样的氮化缺陷。主要有10种．分析缺陷形成原因。采取有效措施，消除氮化缺陷，确保氮化质量和模具长寿命。

缺陷一：渗氮层硬度过低

(1)原因分析。氮化的模具钢材化学成分不符或混料等导致渗氮模具表层含氮量不足；钢件未经调质预处理，未获得氮化前所需细密的回火索氏体组织．或虽经调质预处理，但基体组织硬度低，渗氮硬化层如附在薄冰上；控温仪表失灵．导致氮化温度过高和氮化第一阶段强渗期NH3分解率偏高，炉内渗氮气氛过低，产生活性［N］原子不足，或氮化箱内含水(H2O)过量，对NH3分解起“触媒”作用。生产实践表明。当NH3分解率≥65％~70％时，介质中氢气含量增加．会阻碍钢件表面氮化物形成，降低钢件表面吸氮能力，导致渗氮模具表层含氮量低；渗氮件表面不洁，有油污、氧化皮和脱碳层未去除．或使用新渗氮罐及渗氮罐久用未经遐氮处理；氮化炉密封不严、漏气等，均会造成氮化层硬度过低。

(2)解决措施。渗氮钢材入库和投产前对其化学成分进行复查，合格后再投产；按钢材不同熔炼炉号和批号分开堆放，避免混料，氮化前必须对钢件调质处理。以获得均匀细密的回火索氏体组织和所需基体硬度。氮化温度应略低于调质回火温度。确保渗氮后钢件基体硬度不降低；选用WJ一1型微机控温仪，控温精度在±1.5℃以内，确保渗氮温度准确无误和氮化过程中跟踪校温；若冷加工后有上限留量喷细砂，去除氧化皮、脱碳层和污物；装炉前仔细检查渗氮炉密封性．发现漏气及时修理或更换；选用搪瓷罐，对不锈钢罐应先空罐氮化后启用．对久用氮化罐及工夹具要退氮后再用；氮化过程中要低温人炉，缓慢升温．适当加大NH3流量，降低NH3分解率使之≤50％；返修时用汽油或酒精清理干净渗氮钢件表面，一般在520℃～530℃x7~10h补渗氮一次，NH3分解率控制在20％~25％为宜。达到技术要求等上述措施，有效避免因氮化层硬度低而降低模具耐磨性和寿命。

缺陷二：渗氮层浅

(1)原因分析。渗氮炉有效加热区温差大，且不均匀；钢件表面有污物、锈迹和氧化物：渗氮件装炉不当．钢件之间过密，甚至层叠，使进气管堵塞，气流不畅；第一阶段强渗期，NH3分解率不稳定，有时过高。有时过低；第二阶段扩散期温度偏低、保温时间不足等因素都会造成渗氮层浅．且不均匀．因硬化层浅易导致模具服役时早期不均匀磨损失效。

(2)解决措施。严格投产前氮化炉气密性检查，疏通管道阀门；生产时稳定控制NH3分解率在20％～40％之间。使之产生的活性［N］原子基本上与钢件表面吸［N］及［N］的扩散量平衡；精密控温，有效加热区温差不大于±1.5℃和延长扩散时间：渗氮件合理装挂，相互之间有一定间距．避免重叠面接触，确保工件间氨气均匀畅通和炉内氮气循环正常；采用催渗氮化，渗剂中加入适量Re(稀土)元素制成催渗滴剂，选用镀Ti(钛)氮化，钢件表面先镀Ti，因Ti与N亲和力强．形成在Fe中固溶体．能迅速形成均匀氮化层。生产实践表明．新工艺与传统工艺比，能快速形成厚且均匀氮化层，渗层深度增加25％~40％，生产周期缩短近一半，节电40％~50％；返修处理，用汽油或酒精清理干净渗氮表面．严格按原第二阶段扩散工艺补渗氮一次等上述措施，有效避免不均匀渗氮层形成，达到均匀一致渗氮层和所需氮浓度和氮化层组织。

缺陷三：渗氮层硬度不均，有软点

(1)原因分析。模具钢材化学成分不均匀，偏析严重，晶粒粗大(≤7级)，奥氏体呈长条状，铁索体呈大块状和钢中有害杂质含量超标。导致最终淬火生成粗马氏体和未溶解低硬度块状铁素体；调质回火温度过高，造成基体硬度偏低；模具钢材脱碳层未加工掉和钢件表面污物末除净；氮化炉加热器布局不合理，导致炉内温度不均匀；钢件装挂不当，间距小，相互接触，气管堵塞氨气不畅；局部防渗氮钢件镀锡层过厚或结合不牢，风扇转速太快、震动大造流锡等。上述原冈会导致渗氮面产生亮块、亮点即是软点，低硬度和硬度不均，由于性能不稳定，模具服役时，有软点处先磨损，形成沟槽，导致早期软塌磨损失效。

(2)解决措施。选用炉外精炼钢、电渣重熔钢、真空熔炼钢，这些模具钢材具有纯洁度高、杂质少、品粒细、碳化物小、化学成分和组织均匀无偏析、等向性能好等特点；采用精密仪表控温．分段控温、合理布局加热器，确保炉膛各部位温度均匀，温差≤±1.5℃；留足冷切削加工余量去除模具钢材脱碳层；科学合理装挂,钢件之间留空隙，确保NH3气循环均匀畅通；模具热处理宜在真空电炉、保护气氛炉或盐浴炉中进行，防氧化脱碳；严格控制镀锡层厚度，以0.010~0.015mm为宜和降低氮化炉风扇转速，避免较大震动。返修时清理干净渗氮表面后，重新制订渗氮工艺，允许补渗氮一次等上述措施，有效确保渗氮层硬度均匀，消除软点，达到渗氮层质量指标。