氮化处理的缺陷及原因分析

一、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、抗腐蚀性能和抗疲劳性能。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。

二、模具渗氮层硬度偏低

模具渗氮表层硬度偏低将会降低模具的耐磨性能，大大减少渗氮模具的使用寿命。

模具渗氮层硬度偏低的原因

(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一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。

预防措施：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。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。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。对因渗氮层含氮量较低的模具可进行一次补充渗氮，其渗氮工艺为：渗氮温度520℃ ，渗氮时间8～10h，氨分解率控制在20％-30％。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。

三、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。

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。

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。

四、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。

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；炉内氨气循环不良。

(3)模具装炉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。

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)定期清理氨气进气管道，保持管道的通畅。

(3)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它脏物。

(4)模具装炉时，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。

五、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。

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。

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时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。

六、模具渗氮后变形

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、产生过厚渗氮层等都会使变形量增大。

(4)模具装炉方法不合理，炉内温度不均匀、氨气流通不稳不畅等。

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。对变形要求较小和形状复杂的模具应严格控制加热和冷却速度，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。

七、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。