模具气体氮化产生的缺陷及对策

（’）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。
（!）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。
（"）渗氮温度过高、时间过长。 （#）炉内氮势气氛过高，不仅出现! 相，甚至出现 " 相，" 相脆性大。 #"对策 （’）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。
热加工
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热 处 理 !"#$%&"#$’"($
!"模具渗氮后出现网状、波纹状、针状或鱼骨状 缺陷的原因
（!）模具设计制造不合理，有尖角、锐边。 （"）原材料的原始组织存在大块铁素体，常规热处 理无法消除，保留在基体组织中。
（#）调质淬火过热、晶粒粗大。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、鱼骨状碳化物。
（$）渗氮温度过高、升温和降温冷却速度过快；控 温仪表失灵，炉内实际温度比仪表指示温度高。在温度
过高时，扩散层中的氮化物便聚集长大，弥散度下降，
在晶界上形成高氮相的网状或波纹状氮化物组织。
（%）液氨含水率高，通入气体渗氮炉中的氨气含有 水分。
（&）气体渗氮炉中氨分解率太低即氮势过高，使模 具表面渗氮层不仅出现!相，甚至出现" 相。
六、模 具 渗 氮 层 不 致 密、 抗 蚀 性 差、 抗
磨性差
模具如在潮湿或碱性的工作环境中工作，还应具有
一定的抗蚀性。有抗蚀要求的模具如因渗氮层不致密而
导致抗蚀性差，将会使模具在使用时发生锈蚀，使模具
早期失效；另外模具渗氮层不致密，也会造成模具耐磨
性差，严重影响模具使用寿命。
!"模具渗氮层不致密原因 （)）模具渗氮前冷加工粗糙，有锈斑和污物。 （!）气体渗氮炉内氨分解率过高，模具渗氮层过氮 浓度太低。 （"）渗氮保温后冷速不宜过慢，否则易析出针状氮 化物，使形成的" 相层有孔隙，降低渗层的致密性。 （%）在一定的温度下，渗氮时间太短，模具渗氮层 渗氮不足。 #"对策 （)）模具渗氮前应进行正火或调质处理，模具表面 粗糙度值要小。 （!）模具渗氮装炉前应仔细清理表面，不得有锈斑 和油污存在。 （"）应严格控制炉内气氛，能有效控制表面相，改 善渗氮层组织，提高模具表面渗氮层致密性。 （%）模具渗氮后随炉冷却至)’*!!**+取出空冷， 避免缓冷。在不影响模具渗氮变形的情况下最好采用渗 氮后直接油冷。 （,）对渗氮 层 不 致 密 的 模 具， 对 其 表 面 清 理 干 净 后，严格按照气体渗氮工艺再进行一次渗氮。
（#）模具渗氮后出炉温度过高在空气中氧化。 #"对策 （’）渗氮前检 查 仪 器 仪 表、 炉 罐、 管 道 和 干 燥 剂， 对漏气的渗氮罐应及时更换，要保持炉盖密封良好。氨
气干燥装置中的干燥剂要定期更换。
（!）渗氮保温后随炉冷却时，应继续向炉内通入氨 气，确保炉内保持正压力，炉冷至!**+以下的方可出 炉空冷，避免渗氮模具在空气中氧化。
（"）渗氮后的模具最好采取油冷，这样既可适当提 高模具表面硬度 （一般’),-），也可避免模具氧化。
（#）对已经产生氧化的渗氮模具可采取研磨或低压 轻微喷细砂消除，并重新加热到$’*+左右，再进行#. 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。
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。
!"模具渗氮后变形的原因 （)）模具渗氮前未能很好地消除组织应力和冷加工 应力。
（!）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
#"对策 （!）模具设计制造时应尽量避免锐角、尖边。 （"）对原材 料 进 行 改 锻， 击 碎 和 溶 解 大 块 状 铁 素 体，同时进行球化退火，细化晶粒，均匀组织，消除铁
素体性能方向性，为模具调质处理做好组织准备。
（#）模具调质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
（!）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。
（"）渗氮前应定期检查和清理管道，保持管道的通 畅。
（#）塑料模具预处理时，应严格控温，保证正常调 质处理温度。
（$）模具装炉前需用汽油或酒精等脱脂，经过清洗 后的模具表面不能有油污或其他脏物。
（%）模具装筐时，模具间应保持一定距离，严防模 具工作面接触和重叠。
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热加工
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（!）提高模具调质预处理基体硬度，适当提高回火 温度。模具渗氮前应清除模具表面脱碳层。
（"）严格控制渗氮温度、时间以及炉内氮气氛，增 加 #$" 分解率，避免出现! 脆性相。
（%）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"&’(左右的 碳，从而抑制了! 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。
（&）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。
（’）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。
（(）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。
（!）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。
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。
!"模具渗氮层硬度偏低的原因 （%）模具钢 成 分 不 符， 模 具 预 先 调 质 处 理 硬 度 过 低。 （&）模具气体渗氮前未除掉其表面的油污、脱碳层 和氧化皮。 （’）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。 （(）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。 #"对策 （%）严格材料入库检验，化学成分应符合渗氮钢标 准。
（,）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。
（.）在条件许可的情况下，可采用离子氮化处理。 （/）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。
!"模具渗氮层硬度不均匀或有软点的原因 （%）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。
（&）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。
（’）)*’ 气管道局部堵塞，影响 )*’ 气不畅，炉 气不均匀。
（(）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
形。
（"）模具装炉方法不合理，炉内温度不均匀，氨气 流不稳、不畅。
（%）模具装炉后加热升温过快或出炉时冷却速度太 快。
（,）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
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。
!"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。
（!）氨气干燥装置中的干燥剂失效，通入炉中的氨 气含有水分。
（"）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。
（#）炉子密封不好，漏气。 （$）塑料模具渗氮前未进行调质处理。 （%）渗氮罐和夹具使用过久未退氮。 #"对策 （’）严格控制装炉前模具表面质量、装炉量、氮气 氛、渗氮时间和温度。 （!）加强渗氮密封，保证炉内气氛循环正常，要经 常疏通管道，确保 ()" 气流畅通。 （"）塑料模具渗氮前必须进行调质预处理，以便得 到均匀细密的回火索氏体组织。 （#）严格执行模具渗氮工艺，应确保和稳定 ()" 分解率；提高渗氮第二阶段扩散渗氮温度和保温时间。 （$）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。
气氛中进行，避免模具氧化脱碳；一般加热条件下的调
质件应在机械加工中把脱碳层切除掉。
（$）氨气要经过干燥装置再通入渗氮炉中，干燥剂 要定期更换。
（%）正确制 定 渗 氮 热 处 理 工 艺， 氮 化 温 度 不 宜 过 高，升温速 度 不 宜 过 快， 并 应 定 期 对 控 温 仪 表 进 行 校
厚渗氮层等就会使变形增大。
#"对策 （)）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。
（!）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。
（"）模具应留有适当加工余量和控制尺寸公差上下 限。
（%）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,*+ ／-，"**+以上每升温)**+ 保温)-；冷却 时 要 随 炉 降 温， 出 炉 温 度 应 低 于 !**+， 并应经常检查炉温，严格控制渗氮炉上下区的温差。
（&）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。
!"模具渗氮层偏浅的原因 （’）模具渗氮第一阶段 ()" 气分解率不稳定，过 高或过低。
（!）渗氮第二阶段温度过低和保温时间不足。 （"）模具装炉不当，工件相互之间接触，()" 气流 不畅。模具装炉前未清除油污。
栏目主持 李华翔
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模具气体氮化产生的缺陷及对策
安徽省宿州模具热处理研究所 （!"#$$$） 赵昌胜
安徽省科苑集团
（!"#$$$） 冯立文
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 !!"!#!"$的合金工具钢）都可在淬火、回火后在低于 回火温度的温度区内进行渗氮；一般碳钢和低合金钢在 制作塑料模具时可以在调质后的回火温度下渗氮；一些 特殊要求的冷作模具也可以在气体渗氮后再进行淬火、 回火热处理。
（#）对因渗氮层含量较低的模具可进行一次补充渗 氮。其补充渗氮工艺为：渗氮温度!%"!!’"$，保温时 间+!%",，氨分解率控制在&"-!’"-。
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。
过低，铁素体未溶解，保留在淬火组织中。
（!）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。
#"对策 （%）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。
热加工
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