模具钢渗氮层金相分析

造成硬度偏低的原因通常有： 设备方面：如系统漏气造成氧化。 材料方面：如材料选择不合理。 前期热处理：如基体硬度太低，表面脱碳严重等。 工件预处理不彻底：如进炉前的清洁方式及清洁度。 工艺方面：如渗氮温度过高或过低，时间短或氮浓度不足等等。
6）外观颜色有差别 不同材质的零件经渗氮处理后表面颜色是略有区别的，零件出炉后首先用肉 眼检查外观质量，钢件经渗氮处理后表面通常呈银灰（蓝黑色）色或暗灰色 （蓝黑色），钛及钛合金件表面应呈金黄色。
模具钢渗氮工艺基础知识
模具钢渗氮层的金相分析
3、气体渗氮工艺
工艺路线：锻造→正（退）火→粗加工→调质→精加工→去应力退火→粗磨 →氮化（→精磨）。 气体渗氮分为三种：等温渗氮（一段氮化）、二段氮化、三段氮化。
1）等温氮化：
前20h是表面形成氮化物阶段,采用低 氨分解率使表面迅速吸收大量氮原子并使 表面形成弥散度大的氮化物提高表面硬度。 第二阶段是表层氮原子向内扩散,增 加渗层厚度.为了降低氮化层脆性,在氮化 结束前2h进行退氮处理,使氮继续向内层扩 散,以降低表面的氮浓度。 等温氮化操作简单、变形小，但氮化 时间长，生产效率低，且氮化后表面往往 有“白亮层”产出，有时还有疏松层。
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第一部分 模具钢渗氮工艺基础知识
第二部分 模具钢渗氮层的金相分析 CONTANTS
第一部分
渗氮工艺基础知识
模具钢渗氮工艺基础知识
模具钢渗氮层的金相分析
1、定义
渗氮：是在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工 艺。常见的渗氮方式有：液体渗氮、离子渗氮、气体渗氮。 气体渗氮：是把工件放入密封容器中，通以流动的氨气并加热，保温较长 时间后，氨气热分解产生活性氮原子，不断吸附到工件表面，并扩散渗入 工件表层内，从而改变表层的化学成分和组织，获得优良的表面性能。
2、原理
渗入钢中的氮由表及里与铁形成不同含氮量的氮化铁，同时与钢中的其 它合金元素结合形成各类氮化物。这些氮化物具有很高的硬度、热稳定 性和很高的弥散度，因而可使渗氮后的钢件得到高的表面硬度、耐磨性、 耐腐蚀能力等。
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模具钢渗氮层的金相分析
铁和氮在不同的条件下可以形成五个相， 如右图： ① α相。氮在α-Fe中的间隙固溶体。 ②γ相。氮在γ-Fe中的间隙固溶体即含氮奥 氏体。 ③γ’相。成分可变的间隙相。于680℃以上 将发生分解，并溶于ε相中。 ④ ε相。一种成分可变的氮化物，它是以氮 化物Fe（2~3）N为基的固溶体。 ⑤ζ相。是以Fe2N化合物为基的间隙固溶体。 性脆，在500℃以上转变为ε相。 图中有两个共析反应：γ→α+Fe4N（ γ’）； ε→γ+γ’
注：我们做模具钢渗氮层分析，不 一定有白亮层存在，如没有实验过 程中可省略这一步。
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模具钢渗氮层的金相分析
4、脆性等级
①将完成上述三步的样品去掉镶样层，清洗 渗氮面； ②选取一个氮化面，在维氏硬度计上用 10kgf ，保荷时间为 10s ，随机打三个硬度 点； ③到显微镜下放大 100×观察此三个硬度点， 拍取三张照片并对照标准进行判级。
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模具钢渗氮层的金相分析
1、渗氮层深度及渗氮层不均匀性(从表面至与基体组织有明显分界为
止的距离为渗氮层深度）。
1）硬度法
采用维氏硬度 ，试验力规定 2.94N(O.3kgf) ， 从 试样表面测至比基体维氏硬度值高50H V 处的垂 直距离为渗氮层深度。 2）金相法 ① 镶样保护上下两渗氮面，即渗氮检测面截 面为金相观察检测面； ②预磨抛光并用4%硝酸酒精浅侵蚀（观察表面变色即可，如不清晰可重复侵蚀）； ③置于显微镜上，用100×或者200×观察，上下渗氮层各拍取一张照片； ④使用测量软件，每张照片测五个深度，需包括照片中的最大最小深度。
38CrMoAl二段氮化工艺
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3）三段氮化：
三段氮化基于二段氮化，特点是提高第二 阶段的温度来进一步缩短氮化速度，达到 一定的氮化深度后再将温度降至相当于第 一阶段的温度或稍高的温度继续氮化，使 表层氮达到最佳浓度，而不致使表面硬度 过低。 缺点：工艺过程不太容易控制，尤其是在 硬度和变形量方面容易出现超差，所以在 生产应用上收到一定的限制。
级别 渗氮层脆性级别说明 1 2 3 4 5 压痕边角完整无缺 压痕一边或一角碎裂 压痕二边或二角碎裂 压痕三边或三角碎裂 压痕四边或四角碎裂
注：其中2点以上处于相同级 别时，才能定级，否则 ，需重 复测定1次。
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5、显微硬度
①选取一个粗糙度较小的渗氮面，将 维氏硬度计设置力值为0.5kgf，保荷 时间为15s； ②每个试样打取三个硬度值，并做好 记录。
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5、检测中常见问题分析
1）渗氮层不均匀
主要原因有： 装炉方式不合理；气压调节不当；渗氮处理期间温度不均匀； 炉内 气流不合理。
2）出现脉状或网状氮化物
其形成机理尚无定论，一般认为与合金元素在晶界偏聚及氮原子的扩散有关。因 此，控制合金元素偏聚的措施均有利于减轻脉状氮化物的形成。工艺参数方面， 渗氮温度越高，保温时间越长，越易促进脉状组织的形成，如工件的棱角处，因 渗氮温度相对较高，脉状组织比其它部位严重得多。
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2、氮层氮化物检验
将拍完渗氮层深度的样品放大至500×观察 其扩散层氮化物，参照渗氮层氮化物级别 图进行评定 。 级别
1
2 3 4 5
氮化物级别说明
扩散层中有极少量呈脉状分布的氮化物
扩散层中有少量呈脉状分布的氮化物 扩散层中有较多呈脉状分布的氮化物 扩散层中有严重脉状和少量断纹网状分 布的氮化物 扩散层中有连续纹网状分布的氮化物
3）出现较厚白亮层 经过研究与实践，表明白亮层的厚度随温度的升高和时间的延长而增加。而白 亮层的相组成又与渗氮浓度有很大的关系。
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4）渗氮层脆性太大 产生的原因是：氨分解率过低，氮化温度偏低，退氮处理不当，工件表面有脱碳层， 氨气水含量高造成脱碳等。补救的办法是进行一次退氮处理（在渗氮炉内加热 560~570℃，保温3~5h，氨分解率控制在70%以上）。 5）渗氮层硬度偏低
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3、白亮层检测
（是指渗氮工件表层的ξ 相、ε相和γ ’相或其中的一相或两相所组成的化合物层，故又称 为化合物层或化合层。因其不易为普通腐蚀剂所着色，在显微镜下呈白亮状态而得名。其 可以提高零件的抗蚀性，但具有一定的脆性，容易造成表面剥落。）
①将上一步样品放大至1000×， 上下白亮层各拍取一张照片； ②通过测量软件，每张照片各测 取三个白亮层厚度。
38CrMoAl三段氮化工艺 三种氮化工艺所得渗氮层比较： 表面硬度：等温氮化>二段氮化>三段氮化 渗氮层深度：三段氮化>二段氮化>等温氮化
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RN2-25-6氮化炉
第二部分
渗氮层的金相分析
GB/T 11354-2005 钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验
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拓展知识 离子渗氮 又称辉光渗氮，是利用辉光放电原理进行的。把金属工件作为阴极放入通有含 氮介质的负压容器中，通电后介质中的氮氢原子被电离，在阴阳极之间形成等 离子区。在等离子区强电场作用下，氮和氢的正离子以高速向工件表面轰击。 离子的高动能转变为热能，加热工件表面至所需温度。由于离子的轰击，工件 表面产生原子溅射，因而得到净化，同时由于吸附和扩散作用，氮遂渗入工件 表面。 与一般的气体渗氮相比，离子渗氮的特点是： ①可适当缩短渗氮周期； ②渗氮层脆性小； ③可节约能源和氨的消耗量； ④对不需要渗氮的部分可屏蔽起来，实现局部渗氮； ⑤离子轰击有净化表面作用，能去除工件表面钝化膜，可使不锈钢、耐热钢工 件直接渗氮。 ⑥渗层厚度和组织可以控制。离子渗氮发展迅速，已用于机床丝杆、齿轮、模 具等工件。
38CrMoAl等温氮化工艺
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2）二段氮化：
第一阶段使工件表面形成弥散度高的氮化 物。 第二阶段加速氮在钢中的扩散，增加氮化 层深度，在第二阶段稍提高温度，氮化物 不会显著聚集长大，因此硬度下降不多， 而且可使氮化层的硬度分布趋于平缓。
优点：可在保证较高硬度的前提下缩短氮 化时间，硬度梯度平缓，且可以减薄表面 的白亮脆性化合物，因此在生产上广泛用 于要求渗氮层较深的零件，如磨床主轴。