H13模具钢气体硬氮化与气体软氮化对比分析技术

导 读

厚德载物，传递能量；喜欢就点击顶部分享交流平台 吧。摘 要：本文通过对H13模具钢气体硬氮化与气体软氮化原理、工艺参数、氮层组织性能进行比较分析。结果表明，气体硬氮化和气体软氮化各有优缺点，应采用适合企业实际情况的氮化方法。关键词：气体硬氮化、气体软氮化、H13模具钢、铝型材挤压

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1、前言H13模具钢含碳和钒含量高，耐磨性好，韧性相对较弱，耐热性好，强度和硬度高，耐磨性高，综合力学性能好，抗回火稳定性高，是目前应用更广泛、更具代表性的热作模具钢。H使用前应适当淬火13模具钢 回火等热处理，综合性能优异。H使用前应适当淬火13模具钢 回火和其他热处理可以获得良好的综合性能。挤压模具直接接触高温锭，承受高温、高压、剧烈摩擦等作用。工作条件极其恶劣，使模具容易因磨损和疲劳而失效，显著降低了模具的使用寿命。对H13钢模具的表面改性是全面提高模具寿命的关键。采用表面渗氮技术提高模具材料的表面质量是一种低成本、方便、实用的处理方法。目前常用的氮化方法有气体氮化、液体氮化、光离子氮化、真空氮化等。气体渗氮可分为硬氮化和软氮化。

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2.气体硬氮化2.1、原理气体硬氮化，即气体渗氮，是指氮原子在一定温度下渗入钢表面的化学热处理工艺。为了区分它与气体软氮化，也称为气体硬氮化。气体渗氮时，将工件放入炉中，并将其放入炉中NH气体直接输入500~5600℃氮化炉内， NH3气体在高于480℃时经热分解如下：2NH3 →2〔N〕 3 H大解的氮原子大多生成N2气体，少量活性氮原子被工件表面吸收，然后扩散到工件内部。一段时间后，工件表面获得一定深度的氮化层。氮化层包括外层化合层(又称白亮层)和相邻的扩散层(又称暗黑色层)。白亮层决定磨损。气体渗氮后，其组织主要为ε相与γ′相、处理不当容易产生ξ相，应尽量避免ξ相的产生。ε相和γ′化合物层(白亮层)硬度高，结构致密，耐磨性好；ε电极电位高，耐腐蚀性好；因此提高了工件的耐磨性和耐腐蚀性。铁和合金元素在基体中（Mo、V、Cr等）与氮具有较强的亲和力，与氮原子形成多种合金氮化物，显著提高氮层的硬度；各种氮化物的比例大于铁。氮渗透后，材料表面形成较大的残余压力应力，可抵消无外拉应力，显著提高钢的抗高周疲劳性能。2.2.氮化规律气体氮化的主要工艺参数是氮化温度、氮化时间和氨分解率，对渗氮速度、氮化层深度、氮化层硬度和耐磨性、耐腐蚀性和韧性有很大影响。当氮化时间与氨分解率相同时，随着温度的升高，氮化层增厚，氮化弥散度降低。当温度升到580℃表面硬度面硬度下降。当氮化温度降低，氮原子扩散速度减慢，渗层浅，表面硬度较高，脆性较大。氮化温度一般控制在520-540℃。根据温度的不同，氨分解率一般控制在20%-60%以内，一般在40%左右。氨分解率大于60%，会降低氮化层的硬度和耐磨性；大于70%后，氮化层深度会急剧下降。氮化保温时间取决于氮化温度和氮化层的深度要求。绝缘时间越长，氮化层越深，但会降低渗透硬度。

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3.气体软氮化3.1.气体软氮化的原理，即气体氮碳共渗

，是指以气体渗氮为主，以渗碳为辅的低温氮碳共渗。常用介质有50%氨 50%吸热气体（Nitemper法)；35%-50%氨 50-60%放热式气体（Nitroc乙醇或甲酰胺在通氨时滴注。由于碳原子在软氮化过程中ε其溶解度高，软氮化表面为碳氮化合物，韧性好，耐磨。在气体软氮化过程中，由于碳原子溶解度极低，很快达到饱和状态，沉淀出许多超微渗碳体质点。作为氮化物结晶的核心，这些渗碳体质点促进了氮化物的形成。当表面氮浓度达到一定时，就会形成ε相，而ε碳溶解能力高，反过来又能加速碳溶解。气体软氮化后，其组织由ε相，γ′含氮渗碳体相和Fe3（C，N）碳会降低氮的扩散速度，因此热应力和组织应力比硬氮大，渗层更薄。但与此同时，由于软氮化层不存在ξ因此，氮化层的韧性优于硬氮化后。3.2、工艺参数气体软氮化的主要工艺参数为氮化温度，氮化时间，以及氮化气氛。560-570℃，氮化层在这种温度下硬度更高。氮化时间通常为3-4小时，因为化合物层的硬度在共渗2-3小时达到更高，而随时间的延长，氮化层深度增加缓慢。氮化气氛由氨分解率和含碳渗剂滴量速度决定。

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4、对比分析4.1.试验内容取同批次H共有4件模具钢，其中2件用于气体硬氮化，另外2件用于气体软氮化。氮化工艺如下：氮化温度530±10℃，氨分解率为25%-30%，氮化时间为15小时。样品编号为1-2号。氨和甲酰胺是气体软氮化的共渗介质，氮化过程如下：氮化温度为570±10℃，保温期氨分解率控制在25%-30%，甲酰胺滴量为70-80滴/分，保温时间为3-4小时；净化期氨图1是试样渗氮层硬度梯度的比较。由此可见，四个样品的表面硬度和硬度梯度曲线相似，说明H经气体硬氮化和气体软氮化后，13模具钢的渗氮层硬度相差不大。表面硬度达到1000-12000HV，能满足铝型材热挤压的需要。未显示气体软氮化硬度曲线较陡的特性，可能是测量渗层深度不足的原因。图2至图5为1-4号样品氮化后白亮层金相显微图，可发现4件样品白亮层厚度差距较小。图2

图3图4图5

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5、结论

H13模具钢气体硬氮化和气体软氮化后，硬度与白亮层差距较小，能更好地适应铝型材热挤压的工作环境。气体软氮化效率较高，但工艺相对复杂，对操作人员的要求也较高。铝型材生产企业应根据自身需要和实际情况选择合适的氮化方法。

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参考文献

潘健生 胡明娟，热处理工艺学，高等教育出版社，2009-01

中南大学出版社吴锡坤，铝型材加工实用技术手册，2006

蔡美良 丁蕙麟 机械工业出版社孟沪龙，新编工模具钢金相热处理，2001-05

楼芬丽 张开 张建华 方国平，H13钢表面处理技术，金属热处理，2002，27(6):28-30

邓汝荣 铝型材挤压模气体软氮化工艺郭海涛，1998年铝加工，21（2）：28-31

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