H13模具鋼氣體硬氮化與氣體軟氮化對比分析技術
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厚德載物，傳遞能量；喜歡你喜歡，點擊頂部分享交流平臺 H13對比分析了模具鋼氣體硬氮化和氣體軟氮化的原理、工藝參數和組織性能。結果表明，氣體硬氮化和氣體軟氮化各有優缺點，應采用適合企業實際情況的氮化方法。關鍵詞：氣體硬氮化、氣體軟氮化、H13擠壓模具鋼和鋁型材DAXINGcp
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1、前言H13模具鋼含碳和釩含量高，耐磨性好，韌性相對較弱，耐熱性好，強度和硬度高，耐磨韌性高，綜合力學性能優異，抗回火穩定性高，是應用最廣泛、最具代表性的熱模具鋼。H13模具鋼在使用前經過適當的淬火 回火等熱處理，可獲得優異的綜合性能。擠壓模具直接接觸高溫錠，同時承受高溫、高壓、劇烈摩擦，工作條件極差，容易磨損和疲勞，顯著降低模具的使用壽命。H13鋼模具的表面改性是全面提高模具壽命的關鍵。采用表面滲氮技術提高模具材料的表面質量是一種低成本、方便、實用的處理方法。目前常用的氮化方法有氣體氮化、液體氮化、光離子氮化、真空氮化等。氣體氮化可分為硬氮化和軟氮化。2
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2、氣體硬氮化2.1、原理氣體硬氮化，即氣體滲氮，是指氮原子在一定溫度下滲入鋼表面的化學熱處理工藝。為了區分它與氣體軟氮化，也稱為氣體硬氮化。當氣體滲氮時，將工件放入爐中并放置NH3氣體直接輸入500~~560℃在氮化爐內， NH3氣體在高于480℃時經熱分解如下：2NH3 →2〔N〕 3 H2分解的氮原子大多生成N2氣體，少量活性氮原子被工件表面吸收，然后擴散到工件內部。一段時間后，工件表面獲得一定深度的氮化層。氮化層包括外層的化合層（也稱為白色亮層）和相鄰的擴散層（也稱為暗黑色層）。白色亮層對磨損起著決定性的作用。氣體滲氮后，其組織主要為ε相與γ′相、處理不當容易產生ξ相，應盡量避免ξ相的產生。ε相和γ′化合物層(白亮層)硬度高，結構致密，耐磨性好；ε電極電位高，耐腐蝕性好；因此提高了工件的耐磨性和耐腐蝕性。鐵和合金元素在基體中（Mo、V、Cr等）與氮具有較強的親和力，與氮原子形成多種合金氮化物，顯著提高氮層的硬度；各種氮化物的比例大于鐵。氮滲透后，材料表面形成較大的殘余壓力應力，可抵消無外拉應力，顯著提高鋼的抗高周疲勞性能。2.2、氮化規律氣體氮化的主要工藝參數是氮化溫度、氮化時間和氨分解率。它們對滲氮速度、氮化層深度、氮化層硬度和耐磨性、耐腐蝕性和韌性有很大的影響。當氮化時間與氨分解率相同時，隨著溫度的升高，氮化層增厚，氮化彌散度降低。當溫度升高時580℃以上后，表面硬度下降。當氮化溫度降低時，氮原子擴散速度減慢，滲透層淺，表面硬度高，脆性大。氮化溫度一般控制在520-540℃。根據溫度的不同，氨分解率一般控制在20%-60在%范圍內，通常在40%左右。氨分解率大于60%會降低氮化層的硬度和耐磨性；大于70%后，氮化層的深度會急劇下降。氮化保溫時間取決于氮化溫度和氮化層的深度要求。保溫時間越長，氮化層越深，但滲透硬度會降低。3
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3、氣體軟氮化3.1、原理氣體軟氮化，即氣體氮碳共滲，是指以氣體滲氮為主，以滲碳為輔的低溫氮碳共滲。常用介質有50%氨 50%吸熱氣體（Nitemper法）；35%-50%氨氣 50-60%放熱氣體（Nitroc方法)和通氨時滴注乙醇或甲酰胺。在軟氮化過程中，由于碳原子在軟氮化過程中ε軟氮的表面是碳和氮的常見化合物，具有良好的韌性和耐磨性。在氣體軟氮化過程中，由于碳原子的溶解度很低，很快達到飽和狀態，沉淀出許多超微滲碳點。這些滲碳點作為氮化物結晶的核心，促進了氮化物的形成。當表面氮濃度達到一定水平時，就會形成ε相，而ε相的碳溶解能力很高，反過來可以加速碳的溶解。氣體軟氮化后，其組織由ε相，γ′含氮滲碳體相和Fe3（C，N）碳會降低氮的擴散速度，因此熱應力和組織應力大于硬氮，滲層更薄。但與此同時，由于沒有軟氮化層ξ因此，氮化層的韌性優于硬氮化后。3.2、氣體軟氮化的主要工藝參數是氮化溫度、氮化時間和氮化氣氛。常用于氣體軟氮化溫度560-570℃，氮化層在這種溫度下硬度最高。氮化時間通常為3-4小時，因為化合物層的硬度在共滲2-3氮化層的深度隨著時間的推移而緩慢增加。氮化氣氛由氨分解率和含碳滲劑的滴速決定。4
4、對比分析4.1、試驗內容取同一批H13模具鋼共4件，其中2件用于氣體硬氮化，另外2件用于氣體軟氮化。氣體硬氮化的氮化工藝如下：氮化溫度530±10℃，氮化時間15小時，氨分解率25%-30%。樣品編號為1-2數字。氨和甲酰胺是氣體軟氮化的共滲介質，氮化工藝如下：氮化溫度570±10℃，保溫期氨分解率控制在25%-30%，甲酰胺滴量為70-80滴/分，保溫時間3-4小時；凈化期氨圖1是獲得樣品滲氮層硬度梯度的比較。由此可見，四個樣品的表面硬度和硬度梯度曲線相似，說明H13經氣體硬氮化和氣體軟氮化后，模具鋼的滲氮層硬度相差不大。表面硬度達到1000-1200HV，所有這些都可以滿足鋁型材熱擠壓的需要。氣體軟氮化硬度曲線較陡的特性尚未顯示，這可能是測量滲透深度不足的原因。圖2至圖5為1-4氮化后白亮層的金相顯微圖顯示，四個樣品的白亮層厚度差距很小。圖2圖3圖4圖55
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5、結論
H13模具鋼氣體硬氮化和氣體軟氮化后，硬度與白亮層之間的差距很小，可以更好地適應鋁型材熱擠壓的工作環境。氣體軟氮化效率較高，但工藝相對復雜，對操作人員的要求較高。鋁型材制造商應根據自己的需要和實際情況選擇適合公司的氮化方法。6
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參考文獻
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