H13模具鋼氣體硬氮化與氣體軟氮化對比分析技術(shù)
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厚德載物，傳遞能量；喜歡你喜歡，點(diǎn)擊頂部分享交流平臺(tái) 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(shù)和組織性能。結(jié)果表明，氣體硬氮化和氣體軟氮化各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)采用適合企業(yè)實(shí)際情況的氮化方法。關(guān)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(qiáng)度和硬度高，耐磨韌性高，綜合力學(xué)性能優(yōu)異，抗回火穩(wěn)定性高，是應(yīng)用最廣泛、最具代表性的熱模具鋼。H13模具鋼在使用前經(jīng)過適當(dāng)?shù)拇慊?回火等熱處理，可獲得優(yōu)異的綜合性能。擠壓模具直接接觸高溫錠，同時(shí)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(guān)鍵。采用表面滲氮技術(shù)提高模具材料的表面質(zhì)量是一種低成本、方便、實(shí)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(xué)熱處理工藝。為了區(qū)分它與氣體軟氮化，也稱為氣體硬氮化。當(dāng)氣體滲氮時(shí)，將工件放入爐中并放置NH3氣體直接輸入500~~560℃在氮化爐內(nèi)， NH3氣體在高于480℃時(shí)經(jīng)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(kuò)散到工件內(nèi)部。一段時(shí)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(kuò)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(dāng)容易產(chǎn)生ξ相，應(yīng)盡量避免ξ相的產(chǎn)生。ε相和γ′化合物層(白亮層)硬度高，結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(yīng)力，可抵消無外拉應(yīng)力，顯著提高鋼的抗高周疲勞性能。2.2、氮化規(guī)律氣體氮化的主要工藝參數(shù)是氮化溫度、氮化時(shí)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(dāng)?shù)瘯r(shí)間與氨分解率相同時(shí)，隨著溫度的升高，氮化層增厚，氮化彌散度降低。當(dāng)溫度升高時(shí)580℃以上后，表面硬度下降。當(dāng)?shù)瘻囟冉档蜁r(shí)，氮原子擴(kuò)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(jù)溫度的不同，氨分解率一般控制在20%-60在%范圍內(nèi)，通常在40%左右。氨分解率大于60%會(huì)降低氮化層的硬度和耐磨性；大于70%后，氮化層的深度會(huì)急劇下降。氮化保溫時(shí)間取決于氮化溫度和氮化層的深度要求。保溫時(shí)間越長，氮化層越深，但滲透硬度會(huì)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(zhì)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(shí)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(dá)到飽和狀態(tài)，沉淀出許多超微滲碳點(diǎn)。這些滲碳點(diǎn)作為氮化物結(jié)晶的核心，促進(jìn)了氮化物的形成。當(dāng)表面氮濃度達(dá)到一定水平時(shí)，就會(huì)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(huì)降低氮的擴(kuò)散速度，因此熱應(yīng)力和組織應(yīng)力大于硬氮，滲層更薄。但與此同時(shí)，由于沒有軟氮化層ξ因此，氮化層的韌性優(yōu)于硬氮化后。3.2、氣體軟氮化的主要工藝參數(shù)是氮化溫度、氮化時(shí)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(shí)間通常為3-4小時(shí)，因?yàn)榛衔飳拥挠捕仍诠矟B2-3氮化層的深度隨著時(shí)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?zèng)Q定。4
4、對比分析4.1、試驗(yàn)內(nèi)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(shí)間15小時(shí)，氨分解率25%-30%。樣品編號(hào)為1-2數(shù)字。氨和甲酰胺是氣體軟氮化的共滲介質(zhì)，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(shí)間3-4小時(shí)；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(gè)樣品的表面硬度和硬度梯度曲線相似，說明H13經(jīng)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(dá)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(gè)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(jié)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(yīng)鋁型材熱擠壓的工作環(huán)境。氣體軟氮化效率較高，但工藝相對復(fù)雜，對操作人員的要求較高。鋁型材制造商應(yīng)根據(jù)自己的需要和實(shí)際情況選擇適合公司的氮化方法。6
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