模具氮化處理常見缺陷及對(duì)策
/ 2021/6/5 14:41:40
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模具進(jìn)行氮化處理可顯著提高模具表面的硬度、耐磨性、抗咬合性、抗腐蝕性能和抗疲勞性能。由于滲氮溫度較低，一般在500-650℃范圍內(nèi)進(jìn)行，滲氮時(shí)模具芯部沒(méi)有發(fā)生相變，因此模具滲氮后變形較小。一般熱作模具鋼(凡回火溫度在550-650℃的合金工具鋼)都可以在淬火、回火后在低于回火溫度的溫度區(qū)內(nèi)進(jìn)行滲氮；一般碳鋼和低合金鋼在制作塑料模時(shí)也可在調(diào)質(zhì)后的回火溫度下滲氮；一些特殊要求的冷作模具鋼也可在氮化后再進(jìn)行淬火、回火熱處理。實(shí)踐證明，經(jīng)氮化處理后的模具使用壽命顯著提高，因此模具氮化處理已經(jīng)在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。但是，由于工藝不正確或操作不當(dāng)，往往造成模具滲氮硬度低、深度淺、硬度不均勻、表面有氧化色、滲氮層不致密、表面出現(xiàn)網(wǎng)狀和針狀氮化物等缺陷，嚴(yán)重影響了模具使用壽命。
因此本文研究模具滲氮層缺陷、分析其產(chǎn)生的原因、探討減少和防止?jié)B氮缺陷產(chǎn)生的工藝措施，對(duì)提高模具的產(chǎn)品質(zhì)量，延長(zhǎng)使用壽命具有十分重要的意義。
缺陷類型及原因分析
1
模具滲氮層硬度偏低
模具滲氮表層硬度偏低將會(huì)降低模具的耐磨性能，大大減少滲氮模具的使用壽命。
缺陷產(chǎn)生的原因：
(1)滲氮模具表層含氮量低。這是由于滲氮時(shí)爐溫偏高或者在滲氮第一階段的氨分解率過(guò)高，即爐內(nèi)氮?dú)夥者^(guò)低。
(2)模具預(yù)先熱處理后基體硬度太低。
(3)滲氮爐密封不良、漏氣或初用新的滲氮罐。
預(yù)防措施：適當(dāng)降低滲氮溫度，對(duì)控溫儀表要經(jīng)常校正，保持適當(dāng)?shù)臐B氮溫度。模具裝爐后應(yīng)緩慢加熱，在滲氮第一階段應(yīng)適當(dāng)降低氨分解率。滲氮爐要密封，對(duì)漏氣的馬弗罐應(yīng)及時(shí)更換。新滲氮罐要進(jìn)行預(yù)滲氮，使?fàn)t內(nèi)氨分解率達(dá)到平穩(wěn)。對(duì)因滲氮層含氮量較低的模具可進(jìn)行一次補(bǔ)充滲氮，其滲氮工藝為：滲氮溫度520℃，滲氮時(shí)間8～10h，氨分解率控制在20％-30％。在模具預(yù)先熱處理時(shí)要適當(dāng)降低淬火后的回火溫度，提高模具的基體硬度。
2
模具滲氮層淺
模具滲氮層淺將會(huì)縮短模具硬化層耐磨壽命。
缺陷產(chǎn)生的原因：
(1)模具滲氮時(shí)間太短、滲氮溫度偏低、滲氮爐有效加熱區(qū)的溫度分布不均勻、滲氮過(guò)程第一階段氮濃度控制不當(dāng)(氨分解率過(guò)高或過(guò)低)等。
(2)模具裝爐前未清除掉油污及裝爐量過(guò)多、模具間距太近。
預(yù)防措施：
(1)要嚴(yán)格控制裝爐前模具表面質(zhì)量、裝爐量、爐內(nèi)溫差和氮?dú)夥?、滲氮時(shí)間和溫度。
(2)加強(qiáng)滲氮爐密封，保證爐內(nèi)氮?dú)夥昭h(huán)正常。并按工藝要求控制氨分解率。
(3)對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)滲氮層不足的模具可進(jìn)行二次滲氮，嚴(yán)格按照滲氮第二階段工藝補(bǔ)充滲氮。
3
模具滲氮層硬度不均勻或有軟點(diǎn)
模具滲氮層不均勻或有軟點(diǎn)將會(huì)使模具在使用時(shí)性能不穩(wěn)定，薄弱區(qū)域首先磨損較多，造成整個(gè)模具的早期損壞失效，嚴(yán)重影響模具的使用壽命。
缺陷產(chǎn)生的原因：
(1)由于滲氮爐上、下不均衡加熱或氣流不通暢，爐內(nèi)溫度不均勻。
(2)氨氣通入管道局部堵塞，影響爐內(nèi)氮?dú)夥?；爐內(nèi)氨氣循環(huán)不良。
(3)模具裝爐前未很好清理表面油污。
(4)滲氮爐內(nèi)模具裝載太多或爐內(nèi)模具間距太小、部分有接觸。
預(yù)防措施：
(1)嚴(yán)格控制滲氮爐內(nèi)上、下區(qū)爐溫，使其始終保持在同一溫度區(qū)內(nèi)。
(2)定期清理氨氣進(jìn)氣管道，保持管道的通暢。
(3)模具裝爐前需用汽油或酒精等脫脂，經(jīng)過(guò)清洗后的模具表面不能有油污或其它臟物。
(4)模具裝爐時(shí)，模具間要保持一定距離，嚴(yán)防模具工作面接觸和重疊。
(5)爐內(nèi)氣氛循環(huán)要充分，滲氮爐要密封好，對(duì)漏氣的馬弗罐應(yīng)及時(shí)更換。
4
模具滲氮后表面有氧化色
模具滲氮后發(fā)生表面氧化不僅影響模具外觀質(zhì)量，而且影響模具表面的硬度和耐磨性，嚴(yán)重影響模具使用壽命。
缺陷產(chǎn)生的原因：
(1)氣體滲氮罐漏氣或爐蓋密封不良。
(2)提供氨氣的干燥裝置中的干燥劑失效，通入爐中的氨氣含有水分。
(3)滲氮結(jié)束后隨爐冷卻時(shí)供氧不足造成罐內(nèi)負(fù)壓，吸入空氣造成氧化色。
(4)模具氮化后出爐溫度過(guò)高在空氣中氧化。
預(yù)防措施：
(1)要經(jīng)常檢查設(shè)備，對(duì)漏氣的馬弗罐應(yīng)及時(shí)更換，要保持爐蓋密封良好。
(2)氨氣干燥裝置中的干燥劑要定期更換。
(3)滲氮后的模具違禁詞采用油冷。對(duì)要求嚴(yán)格控制變形的模具在滲氮結(jié)束冷卻時(shí)要繼續(xù)提供少量氨氣，避免爐內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓。出爐溫度控制在200℃以下，避免滲氮模具在空氣中氧化。
(4)對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生氧化的滲氮模具可在低壓下噴細(xì)砂清除，并重新加熱到510℃左右再進(jìn)行4h滲氮，滲氮后爐冷至200℃以下出爐。
5
模具滲氮后變形
缺陷產(chǎn)生的原因：
(1)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、形狀復(fù)雜等。模具在機(jī)械加工后的殘余應(yīng)力未能很好消除。
(2)氣體滲氮爐內(nèi)溫度不均勻，模具裝爐后加熱升溫過(guò)快或出爐時(shí)冷卻速度太快。
(3)因滲氮層產(chǎn)生的組織應(yīng)力帶來(lái)形狀變化，滲層愈厚影響愈大。因此若工藝參數(shù)不當(dāng)，滲氮溫度過(guò)高、時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、氮?jiǎng)葸^(guò)高、產(chǎn)生過(guò)厚滲氮層等都會(huì)使變形量增大。
(4)模具裝爐方法不合理，爐內(nèi)溫度不均勻、氨氣流通不穩(wěn)不暢等。
預(yù)防措施：
(1)設(shè)計(jì)制造模具時(shí)應(yīng)該盡量使模具結(jié)構(gòu)對(duì)稱合理，避免厚薄懸殊。
(2)對(duì)淬火后的模具應(yīng)充分進(jìn)行回火，對(duì)機(jī)械加工后的模具應(yīng)進(jìn)行退火消除應(yīng)力。
(3)制定合理的滲氮工藝。盡量采用合理量、較低的滲氮溫度、合適的氮化層深度和氮?dú)夥?。?duì)變形要求較小和形狀復(fù)雜的模具應(yīng)嚴(yán)格控制加熱和冷卻速度，冷卻時(shí)要隨爐降溫，出爐溫度應(yīng)低于200℃，并應(yīng)檢查爐溫，嚴(yán)格控制滲氮爐上下區(qū)的溫差。
6
模具滲氮后表層出現(xiàn)網(wǎng)狀及波紋狀、針狀或魚骨狀氮化物及厚的白色脆性層
模具滲氮后表層出現(xiàn)網(wǎng)狀及波紋狀、針狀或魚骨狀氮化物及厚的白色脆性層將會(huì)導(dǎo)致模具韌性降低、脆性增加、耐沖擊性能減弱、產(chǎn)生疲勞剝落、耐磨性能降低，大大降低模具的使用壽命。
缺陷產(chǎn)生的原因：
(1)一些熱處理廠家片面強(qiáng)調(diào)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，在制定工藝文件和實(shí)際操作時(shí)滲氮溫度過(guò)高升溫加熱和降溫冷卻速度過(guò)快；控溫儀表失靈、爐內(nèi)實(shí)際溫度比儀表指示溫度高。如溫度過(guò)高時(shí)擴(kuò)散層中的氮化物便聚集長(zhǎng)大、彌散度下降、在晶界上形成高氮相的網(wǎng)狀或波紋狀組織。
(2)模具預(yù)備熱處理時(shí)淬火加熱溫度過(guò)高、模具基體晶粒過(guò)大
(3)液氨含水量高，通入氣體滲氮爐中的氨氣含有水分。
(4)模具設(shè)計(jì)制造不合理，有尖角銳邊。
(5)氣體滲氮爐中氨分解率太低即氮?jiǎng)葸^(guò)高。
(6)預(yù)備熱處理時(shí)，淬火加熱未在保護(hù)氣氛中進(jìn)行，模具表層脫碳嚴(yán)重，在滲氮后極易出現(xiàn)針狀、魚骨狀氮化物。
預(yù)防措施：
(1)正確制定模具氮化處理工藝，氮化溫度選擇在500~580℃，一般不要超過(guò)580℃，并定期對(duì)控溫儀表進(jìn)行校正，升溫加熱速度不宜過(guò)快。
(2)模具預(yù)備熱處理的淬火加熱溫度不宜過(guò)高，以免
模具材料內(nèi)部組織中馬氏體晶粒過(guò)大；加熱應(yīng)在保護(hù)氣氛中進(jìn)行，避免模具氧化脫碳；調(diào)質(zhì)件應(yīng)在機(jī)械加工中把脫碳層切除掉。
(3)氨氣要經(jīng)過(guò)干燥裝置再通入滲氮爐中，干燥劑要定期更換。
(4)模具設(shè)計(jì)制造時(shí)應(yīng)盡量避免銳角尖邊。
(5)嚴(yán)格控制滲氮爐中的氨分解率，不應(yīng)使?fàn)t中氮?jiǎng)葸^(guò)高。
(6)對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生網(wǎng)狀及波紋狀氮化物的模具可在540℃左右的爐中進(jìn)行10~15h的擴(kuò)散處理， 以便有效消除模具氮化層中的網(wǎng)狀及波紋狀氮化物。
7
模具滲氮層不致密、抗蝕性差
模具如在潮濕或堿性工作環(huán)境中工作，還應(yīng)具有一定的抗蝕性。有抗蝕要求的模具如因滲氮層不致密而導(dǎo)致抗蝕性差將會(huì)使模具在使用時(shí)發(fā)生銹蝕，使模具早期失效，影響模具的使用壽命。
缺陷產(chǎn)生的原因：
(1)模具氮化前表面粗糙度大。
(2)模具裝爐前表面有銹蝕，影響滲氮層質(zhì)量。
(3)氣體滲氮爐內(nèi)氨分解率過(guò)高，模具滲氮層表面氮濃度太低
(4)在一定的溫度下，滲氮時(shí)間太短，模具滲氮層滲氮不足。
預(yù)防措施：
(1)模具滲氮裝爐前應(yīng)仔細(xì)清理其表面，不得有銹蝕存在。
(2)模具滲氮時(shí)應(yīng)采用合適的氨分解率，合理的滲氮時(shí)間，滲氮后應(yīng)快冷。
(3)對(duì)滲氮層不致密的模具把其表面清理干凈后嚴(yán)格按照氣體滲氮工藝規(guī)則再進(jìn)行一次滲氮。
本文簡(jiǎn)要論述了模具滲氮后滲氮層硬度低、滲氮層淺、模具表面硬度不均有軟點(diǎn)、滲氮后表面有氧化色、滲氮后變形大、滲氮后表層出現(xiàn)滲氮層不致密及抗蝕性差等缺點(diǎn)的特征、危害性、產(chǎn)生原因及其預(yù)防措施。模具氮化時(shí)要嚴(yán)格執(zhí)行滲氮工藝規(guī)則及操作規(guī)程，嚴(yán)把每道工序的質(zhì)量關(guān)，如發(fā)生模具氮化缺陷要認(rèn)真分析其原因，找出解決的方法。只有這樣才能提高模具的氮化質(zhì)量。
