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。

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示温度高。

如温度过高时扩散层中的氮化物便聚集长大、弥散度下降、在晶界上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)气体渗氮炉中氨分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，在渗氮后极易出现针状、鱼骨状氮化物。

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，不应使炉中氮势过高。

(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。

八、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。

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。

预防措施：
(1)模具渗氮装炉前应仔细清理其表面，不得有锈蚀存在。

(2)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。

(3)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。

九、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的氮化质量。

氮化工件表面硬度或深度不够
渗氮及碳氮共渗常见问题与解决的方法
氮化工件表面硬度或深度不够
（1）可能是所选材料不适合作氮化处理。

（2）可能是氮化处理前的组织状态较差。

（3）可能是氮化温度选择不当。

（4）炉中之温度或流气不均匀。

（5）氨量不恰当。

（6）渗氮的时间不够。

（7）氮化前工件表面有脏物。

氮化工件弯曲变形
（1）氮化前的弛力退火处理没有做好。

（2）工件几何曲线设计不良，例如不对称、厚薄变化太大等因素。

（3）氮化中被处理的工件放置方法不对。

（4）被处理工件表面性质不均匀，例如清洗不均或表面温度不均等因素。

氮化工件发生龟裂现象
（1）氨的分解率不正常。

（2）渗氮处理前工件表面存在脱碳层。

（3）工件设计有明显的锐角存在。

（4）白亮层太厚时。

氮化工件的白层过厚
（1）渗氮处理的温度不当。

（2）氨的分解率低，可能发生此现象。

氮化处理时氨分解率不稳定(氨分解率越低，氮势值越高，越易形成白层)
（1）分解率测定器管路漏气。

（2）渗氮处理时装入炉内的工件太少。

（3）炉中压力变化导致氨气流量改变。

（4）触媒作用不当
!!!!!!!有关氮化的技术资料中总结的NH3分解率与流量的大小和温度的关系是：
1, 流量越大则分解度越低，流量越小则分解率越高，
2, 温度越高分解率越高，温度越低分解率越低，
3, 氨分解率与氮势关系: 氨分解率低，气氛氮势高；氨分解率高则气氛氮势低。

我来解释一下第3个关系。

不知是否正确，欢迎大家指正；
氨分解反应式NH3=N +3/2 H2
氨的分解率X的定义为：X = V1 / (V1+V2)，其中：V1=已经反应部分，V2=没有反应部分，
则：V1＝X (V1+V2), 结论：V1与分解率X成正比，
氮势的定义Np=pNH3 / pH2^1.5，其中pH2属于已经反应部分V1中的成份，由于V1已经反应部分中的气体成份为N和H2，相互的比例关系为1：1.5。

所以可能认为Np与V1是反比关系，也就是与氨的分解率计算X成反比关系。

因此：分解率越高，氮势越低，活性氮原子就越少!!!!!!!!!!
气体氮化技术：
气体氮化系于1923年由德国AF ry 所发表，将工件置于炉内，利NH3气直接输进500～550℃的氮化炉内，保持20～100小时，使NH3气分解为原子状态的（N）气与（H）气而进行渗氮处理，在使钢的表面产生耐磨、耐腐蚀之化合物层为主要目的，其厚度约为0.02～0.02m/m，其性质极硬Hv 1000～1200，又极脆，NH3之分解率视流量的大小与温度的高低而有所改变，流量愈大则分解度愈低，流量愈小则分解率愈高，温度愈高分解率愈高，温度愈低分解率亦愈低，NH3气在570℃时经热分解如下：
NH3 →〔N〕Fe + 2/3 H2
经分解出来的N，随而扩散进入钢的表面形成。

相的Fe2 - 3N气体渗氮，一般缺点为硬化层薄而氮化处理时间长。

气体氮化因分解NH3进行渗氮效率低，故一般均固定选用适用于氮化之钢种，如含有Al，Cr，Mo等氮化元素，否则氮化几无法进行，一般使用有JIS、SACM1新JIS、SACM645及SKD61以强韧化处理又称调质因Al，Cr，Mo等皆为提高变态点温度之元素，故淬火温度高，回火温度亦较普通之构造用合金钢高，此乃在氮化温度长时间加热之间，发生回火脆性，故预先施以调质强韧化处理。

NH3气体氮化，因为时间长表面粗糙，硬而较脆不易研磨，而且时间长不经济，用于塑胶射出形机的送料管及螺旋杆的氮化。

机械加工件前处理如何防止渗碳？
（1）镀铜法，镀上厚度0.20mm左右。

（2）涂敷涂剂后乾燥。

（3）涂敷防渗碳涂敷剂后乾燥，如硼砂和有机溶剂為主。

（4）氧化铁和黏土混合物涂敷法。

（5）利用套筒或套螺丝。

渗碳（碳氮共渗）后工件硬度不足
（1）冷却速度不足，可利用喷水冷却或盐水冷却。

（2）渗碳不足，可使用强力渗碳剂。

（3）淬火温度不足。

（4）淬火时加热发生脱碳，可使用盐浴炉直接淬火
渗层剥离现象
（1）含碳量的浓度坡度太大，应进行一次退火。

（2）不存在过度层，应缓和渗速
（3）过渗现象，可考虑研磨前次之渗层
（4）反覆渗碳（碳氮共渗）亦可能產生渗层剥离的现象。