模具气体氮化产生的缺陷及对策

模具气体氮化产生的缺陷及对策目前，气体氮化已在模具生产中得到广泛应用。它可显著提高模具的表面硬度、耐磨性、抗咬合性、抗腐蚀性能和疲劳性能。一般热作模具钢（凡回火温度在550-650℃的合金工具钢）都可在淬火、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具时可以在调质后的回火温度下渗氮；一些特殊要求的冷作模具也可以在气体渗氮后再进行淬火、回火热处理。但是由于种种原因，模具气体氮化后会出现渗氮层硬度低、渗氮层浅、渗氮层硬度不均匀、渗氮后模具表面有氧化色、渗氮层不致密、渗氮层脆性大、渗氮模具变形、模具表面出现网状和针状氮化物等缺陷，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，探讨减少和防止气体渗氮缺陷产生的工艺措施，对提高模具的产品质量，延长模具使用寿命具有十分重要的意义。一、模具渗氮层硬度偏低模具渗氮层硬度偏低将会降低模具的耐磨性能，并减少模具的使用寿命。1.模具渗氮层硬度偏低的原因（1）模具钢成分不符，模具预先调质处理硬度过低。（2）模具气体渗氮前未除掉其表面的油污、脱碳层和氧化皮。（3）渗氮炉密封不良、漏气或初用新的未经渗氮的渗氮罐及工夹具。（4）渗氮时炉温偏高或者在渗氮第一阶段的)*’分解率过高，即炉内氮气氛过低。2.对策（1）严格材料入库检验，化学成分应符合渗氮钢标准。（2）在模具预先调质处理时，要适当降低淬火后的回火温度，提高模具的基体硬度。（3）模具加工时应去除原材料脱碳层和氧化皮；模具渗氮前应除净表面油污或锈迹，或进行喷砂处理。（4）渗氮炉要密封，漏气的渗氮罐应及时更换，新渗氮罐要进行预渗氮，炉罐和夹具使用%%!%&炉次应退氮一次。（5）模具装炉后应缓慢加热，在渗氮第一阶段应适当加大氨流量以便适当降低氨分解率。（6）对因渗氮层含量较低的模具可进行一次补充渗氮。其补充渗氮工艺为：渗氮温度510-530℃，保温时间8-10h,氨分解率控制在20-30％。二、模具渗氮层硬度不均匀或有软点模具渗氮层硬度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。1.模具渗氮层硬度不均匀或有软点的原因（1）模具原材料化学成分不均匀，偏析严重，晶粒粗大，存在奥氏体呈长条状，铁素体呈大块状，铁素体保留在模具调质热处理中。（2）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。（3）NH3气管道局部堵塞，影响NH3气不畅，炉气不均匀。（4）渗氮塑料模具未经调质预处理或虽经调质处理，因淬火加热温度过高，导致晶粒粗大，或淬火温度过低，铁素体未溶解，保留在淬火组织中。（5）模具装炉前未很好地清理表面油污；渗氮炉内模具装载太多或炉内模具间距太小，部分有接触。2.对策（1）选择合适渗氮钢，严格进行模具钢材料成分和金相组织检查。（2）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。（3）渗氮前应定期检查和清理管道，保持管道的通畅。（4）塑料模具预处理时，应严格控温，保证正常调质处理温度。（5）模具装炉前需用汽油或酒精等脱脂，经过清洗后的模具表面不能有油污或其他脏物。（6）模具装筐时，模具间应保持一定距离，严防模具工作面接触和重叠。（7）渗氮炉要密封好，炉内气氛循环要充分，对漏气的渗氮罐应及时更换。三、模具渗氮层浅模具渗氮层浅将会影响模具的耐磨性，缩短模具的使用寿命。1.模具渗氮层偏浅的原因（1）模具渗氮第一阶段NH3气分解率不稳定，过高或过低。（2）渗氮第二阶段温度过低和保温时间不足。（3）模具装炉不当，工件相互之间接触，NH3气流不畅。模具装炉前未清除油污。（4）炉子密封不好，漏气。（5）塑料模具渗氮前未进行调质处理。（6）渗氮罐和夹具使用过久未退氮。2.对策（1）严格控制装炉前模具表面质量、装炉量、氮气氛、渗氮时间和温度。（2）加强渗氮密封，保证炉内气氛循环正常，要经常疏通管道，确保()气流畅通。（3）塑料模具渗氮前必须进行调质预处理，以便得到均匀细密的回火索氏体组织。（4）严格执行模具渗氮工艺，应确保和稳定NH3分解率；提高渗氮第二阶段扩散渗氮温度和保温时间。（5）对已经出现渗氮层偏浅的模具，可进行补充渗氮，即严格按渗氮第二阶段工艺进行渗氮。四、模具渗氮后表面出现氧化色模具渗氮后表面出现氧化不仅影响模具外观质量，而且影响模具的硬度和耐磨性，严重影响模具的使用寿命。1.模具渗氮后表面氧化的原因（’）气体渗氮罐漏气或炉盖密封不良，导致空气进入炉内。（1）氨气干燥装置中的干燥剂失效，通入炉中的氨气含有水分。（2）模具渗氮结束后，随炉冷却时供氨不足，造成罐内负压吸入空气造成氧化色。（3）模具渗氮后出炉温度过高在空气中氧化。2．对策（1）渗氮前检查仪器仪表、炉罐、管道和干燥剂，对漏气的渗氮罐应及时更换，要保持炉盖密封良好。氨气干燥装置中的干燥剂要定期更换。（2）渗氮保温后随炉冷却时，应继续向炉内通入氨气，确保炉内保持正压力，炉冷至200℃以下的方可出炉空冷，避免渗氮模具在空气中氧化。（3）渗氮后的模具最好采取油冷，这样既可适当提高模具表面硬度（一般1HRC），也可避免模具氧化。（）对已经产生氧化的渗氮模具可采取研磨或低压轻微喷细砂消除，并重新加热到510℃左右，再进行4h渗氮。五、模具渗氮层脆性大，起泡易剥落，有微裂纹由于模具渗氮层脆性大、起泡、有微裂纹等，服役时在外力作用下导致模具渗氮层开裂剥落，严重影响模具使用寿命。1.模具渗氮层脆性大、起泡易剥落、有裂纹的原因（1）原材料组织不均匀，晶粒粗大或冷加工表面粗糙，有尖角、锐边等。（2）调质处理硬度不足，淬火加热工件表面脱碳，导致渗氮表面氮浓度过高，渗层过陡，降低渗层与基体结合力。（3）渗氮温度过高、时间过长。（4）炉内氮势气氛过高，不仅出相，甚至出现ξ相，ξ相脆性大。2对策（1）严格控制原材料成分和金相组织，避免模具出现尖角、锐边，并严格控制模具表面粗糙度，并尽量选择细晶粒渗氮模具钢。（2）提高模具调质预处理基体硬度，适当提高回火温度。模具渗氮前应清除模具表面脱碳层。（3）严格控制渗氮温度、时间以及炉内氮气氛，增加NH3分解率，避免出现ξ脆性相。（4）易产生脆性的模具尽量采用氮碳共渗。因为在氮碳共渗时，相中最多溶解质量分数为3.8％(左右的碳，从而抑制了ξ高氮相的析出，因而相的韧性上升，氮碳共渗后的化合物层不再有很高的脆性。六、模具渗氮层不致密、抗蚀性差、抗磨性差模具如在潮湿或碱性的工作环境中工作，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；另外模具渗氮层不致密，也会造成模具耐磨性差，严重影响模具使用寿命。1.模具渗氮层不致密原因（1）模具渗氮前冷加工粗糙，有锈斑和污物。（2）气体渗氮炉内氨分解率过高，模具渗氮层过氮浓度太低。（3）渗氮保温后冷速不宜过慢，否则易析出针状氮化物，使形成的相层有孔隙，降低渗层的致密性。（4）在一定的温度下，渗氮时间太短，模具渗氮层渗氮不足。22.对策（1）模具渗氮前应进行正火或调质处理，模具表面粗糙度值要小。（2）模具渗氮装炉前应仔细清理表面，不得有锈斑和油污存在。（3）应严格控制炉内气氛，能有效控制表面相，改善渗氮层组织，提高模具表面渗氮层致密性。（4）模具渗氮后随炉冷却至180-200℃取出空冷，避免缓冷。在不影响模具渗氮变形的情况下最好采用渗氮后直接油冷。（5）对渗氮层不致密的模具，对其表面清理干净后，严格按照气体渗氮工艺再进行一次渗氮。七、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。1.模具渗氮后变形的原因（1）模具渗氮前未能很好地消除组织应力和冷加工应力。（2）模具设计不合理，工件结构不对称，厚薄悬殊过大，形状复杂，工件大，在热塑性自重作用下导致变形。（3）模具装炉方法不合理，炉内温度不均匀，氨气流不稳、不畅。（4）模具装炉后加热升温过快或出炉时冷却速度太快。（5）渗氮面不对称或局部渗氮层比体积增大，产生组织应力，因渗氮层比体积大而产生的组织应力带来形状变化，渗层越厚影响越大。因此若渗氮工艺参数不当，造成渗氮温度过高、时间过长、氮势过高及产生过厚渗氮层等就会使变形增大。2.对策（1）模具设计时应该尽量使模具结构对称合理，避免厚薄悬殊，无法对称的可增加工艺孔、加强肋等。（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低温退火消除冷加工应力。（3）模具应留有适当加工余量和控制尺寸公差上下限。（4）制定合理的渗氮工艺，应合理吊装，采用较低的渗氮温度、合适的渗氮层深度和氮气氛。对变形要求较小和形状复杂的模具应严格控制加热速度和冷却速度，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℃，并应经常检查炉温，严格控制渗氮炉上下区的温差。（5）控制好氨分解率，不使氮势过高；同时控制好氨气气流，使气流稳定均匀。（6）在条件许可的情况下，可采用离子氮化处理。（7）掌握模具变形规律，合理控制补充渗氮的变形量；对热校后的模具应进行消除应力处理。八、模具渗氮后出现网状、波纹状、针状或鱼骨状氮化物模具渗氮后表层出现网状、波纹状、针状或鱼骨状氮化物，将会导致模具韧性降低、脆性增加、耐冲击性能减弱、耐磨性能降低，产生疲劳剥落，大大降低模具的使用寿命。