1、前言
H13模具鋼含有較高含量的碳和釩，耐磨性好，韌性相對有所減弱，具有良好的耐熱性，在較高溫度時具有較好的強度和硬度，高的耐磨性的韌性，優(yōu)良的綜合力學性能和較高的抗回火穩(wěn)定性，是目前應(yīng)用最廣泛和最具代表性的熱作模具鋼。H13模具鋼在使用前經(jīng)適當?shù)拇慊?回火等熱處理，可獲得優(yōu)良的綜合性能。
擠壓模具工作時直接與高溫錠接觸，同時承受高溫、高壓、劇烈摩擦等作用，工作條件極其惡劣，使模具極易因磨損和疲勞而失效，這將使模具的使用壽命明顯下降。對H13鋼模具進行表面改性處理，是綜合改善模具壽命的關(guān)鍵。而采用表面滲氮技術(shù)來改善模具材料表面質(zhì)量是常用的一種低成本、方便實用的處理方法。目前較為常用的氮化方式有氣體滲氮、液體滲氮以及輝光離子滲氮。其中氣體滲氮又有硬氮化與軟氮化之分。
2、氣體硬氮化
2.1、原理
氣體硬氮化，即氣體滲氮，是指在一定溫度下一定介質(zhì)中是氮原子滲入鋼材表層的化學熱處理工藝，為將其與氣體軟氮化區(qū)分開來，又稱之為氣體硬氮化。氣體滲氮時，將工件置于爐內(nèi)，將NH3氣體直接輸進500～560℃的氮化爐內(nèi)， NH3氣體在高于480℃時經(jīng)熱分解如下：
2NH3 →2〔N〕+ 3 H2
分解出的氮原子大部分生成為N2氣體，小部分活性氮原子被工件表面吸收，然后往工件內(nèi)部擴散。經(jīng)過一段時間后，工件表面即獲得了一定深度的氮化層。氮化層包括外層的化合層（又稱白亮層）以及與之相鄰的擴散層（又稱暗黑層）。白亮層對磨損起決定作用。
氣體滲氮后，其組織主要為ε相與γ′相，處理不當時易產(chǎn)生ξ相，應(yīng)盡量避免ξ相的產(chǎn)生。ε相和γ′相硬度高，組成的化合物層（白亮層）結(jié)構(gòu)致密，有良好的耐磨性；ε相具有較高的電極電位，抗腐蝕性能較好；因此提高了工件的耐磨性和耐腐蝕性?；w內(nèi)，鐵和合金元素（Mo、V、Cr等）與氮有較強的親和力，與氮原子形成許多合金氮化物，顯著提高滲氮層的硬度；且形成的各種氮化物的比容大于鐵，滲氮之后，材料表面形成較大的殘余壓應(yīng)力，可抵消不分外加拉應(yīng)力，這樣就顯著提高了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，氮化時間和氨氣分解率，它們對于滲氮速度，氮化層深度，氮化層硬度以及耐磨性，抗腐蝕性，韌性等有著極大的影響。
當?shù)瘯r間和氨氣分解率相同時，隨溫度增加，氮化層增厚，氮化彌散度減少。當溫度升到580℃以上后，表面硬度下降。當?shù)瘻囟冉档?，氮原子擴散速度減慢，滲層淺，表面硬度較高，脆性較大。氮化溫度一般控制在520-540℃。
氨氣分解率根據(jù)溫度的不同，一般控制在20%-60%范圍之內(nèi)，通常為40%左右。氨氣分解率大于60%，會降低氮化層的硬度和耐磨性；大于70%之后，氮化層深度會急劇下降。
氮化保溫時間則取決于氮化溫度以及對氮化層的深度要求。保溫時間越長，則氮化層越深，但會使?jié)B層硬度下降。
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，滲碳為輔的的低溫氮碳共滲。常用介質(zhì)有50%氨氣+50%吸熱式氣體（Nitemper法）；35%-50%氨氣+50-60%放熱式氣體（Nitroc法）和通氨氣時滴注乙醇或甲酰胺等數(shù)種。在軟氮化時，由于碳原子在ε相中的溶解度高，軟氮化的表層是碳、氮共同的化合物，這種化合物韌性好且耐磨。
在氣體軟氮化過程中，由于碳原子的溶解度極低，所以很快達到飽和狀態(tài)，析出許多超顯微的滲碳體質(zhì)點。這些滲碳體質(zhì)點，作為氮化物結(jié)晶的核心，促使氮化物的形成。而當表層氮濃度達到一定時便形成ε相，而ε相的碳溶解能力很高，反過來又能加速碳的溶解。
氣體軟氮化后，其組織由ε相，γ′相和含氮的滲碳體Fe3（C，N）所組成，碳會降低氮的擴散速度，所以熱應(yīng)力和組織應(yīng)力較硬氮化大，滲層更薄。但同時，由于軟氮化層不存在ξ相，故氮化層韌性比硬氮化后更佳。
本文通過對鋁型材擠壓用的H13模具鋼氣體硬氮化與氣體軟氮化的原理、工藝參數(shù)、氮化層組織性能等方面進行對比分析，結(jié)果表明氣體硬氮化與氣體軟氮化各有優(yōu)劣，應(yīng)采用適合本企業(yè)實際情況的氮化方法。H13模具鋼氣體硬氮化和氣體軟氮化后，其硬度和白亮層的差距很小，都能較好地適應(yīng)鋁型材熱擠壓的工作環(huán)境。相較而言，氣體軟氮化的效率更高，但工藝相對復(fù)雜，對操作人員的要求也更高。鋁型材生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身需要和實際情況選擇適合本公司的氮化方式。
H13模具鋼含有較高含量的碳和釩，耐磨性好，韌性相對有所減弱，具有良好的耐熱性，在較高溫度時具有較好的強度和硬度，高的耐磨性的韌性，優(yōu)良的綜合力學性能和較高的抗回火穩(wěn)定性，是目前應(yīng)用最廣泛和最具代表性的熱作模具鋼。H13模具鋼在使用前經(jīng)適當?shù)拇慊?回火等熱處理，可獲得優(yōu)良的綜合性能。
擠壓模具工作時直接與高溫錠接觸，同時承受高溫、高壓、劇烈摩擦等作用，工作條件極其惡劣，使模具極易因磨損和疲勞而失效，這將使模具的使用壽命明顯下降。對H13鋼模具進行表面改性處理，是綜合改善模具壽命的關(guān)鍵。而采用表面滲氮技術(shù)來改善模具材料表面質(zhì)量是常用的一種低成本、方便實用的處理方法。目前較為常用的氮化方式有氣體滲氮、液體滲氮以及輝光離子滲氮。其中氣體滲氮又有硬氮化與軟氮化之分。
2、氣體硬氮化
2.1、原理
氣體硬氮化，即氣體滲氮，是指在一定溫度下一定介質(zhì)中是氮原子滲入鋼材表層的化學熱處理工藝，為將其與氣體軟氮化區(qū)分開來，又稱之為氣體硬氮化。氣體滲氮時，將工件置于爐內(nèi)，將NH3氣體直接輸進500～560℃的氮化爐內(nèi)， NH3氣體在高于480℃時經(jīng)熱分解如下：
2NH3 →2〔N〕+ 3 H2
分解出的氮原子大部分生成為N2氣體，小部分活性氮原子被工件表面吸收，然后往工件內(nèi)部擴散。經(jīng)過一段時間后，工件表面即獲得了一定深度的氮化層。氮化層包括外層的化合層（又稱白亮層）以及與之相鄰的擴散層（又稱暗黑層）。白亮層對磨損起決定作用。
氣體滲氮后，其組織主要為ε相與γ′相，處理不當時易產(chǎn)生ξ相，應(yīng)盡量避免ξ相的產(chǎn)生。ε相和γ′相硬度高，組成的化合物層（白亮層）結(jié)構(gòu)致密，有良好的耐磨性；ε相具有較高的電極電位，抗腐蝕性能較好；因此提高了工件的耐磨性和耐腐蝕性?；w內(nèi)，鐵和合金元素（Mo、V、Cr等）與氮有較強的親和力，與氮原子形成許多合金氮化物，顯著提高滲氮層的硬度；且形成的各種氮化物的比容大于鐵，滲氮之后，材料表面形成較大的殘余壓應(yīng)力，可抵消不分外加拉應(yīng)力，這樣就顯著提高了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，氮化時間和氨氣分解率，它們對于滲氮速度，氮化層深度，氮化層硬度以及耐磨性，抗腐蝕性，韌性等有著極大的影響。
當?shù)瘯r間和氨氣分解率相同時，隨溫度增加，氮化層增厚，氮化彌散度減少。當溫度升到580℃以上后，表面硬度下降。當?shù)瘻囟冉档?，氮原子擴散速度減慢，滲層淺，表面硬度較高，脆性較大。氮化溫度一般控制在520-540℃。
氨氣分解率根據(jù)溫度的不同，一般控制在20%-60%范圍之內(nèi)，通常為40%左右。氨氣分解率大于60%，會降低氮化層的硬度和耐磨性；大于70%之后，氮化層深度會急劇下降。
氮化保溫時間則取決于氮化溫度以及對氮化層的深度要求。保溫時間越長，則氮化層越深，但會使?jié)B層硬度下降。
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，滲碳為輔的的低溫氮碳共滲。常用介質(zhì)有50%氨氣+50%吸熱式氣體（Nitemper法）；35%-50%氨氣+50-60%放熱式氣體（Nitroc法）和通氨氣時滴注乙醇或甲酰胺等數(shù)種。在軟氮化時，由于碳原子在ε相中的溶解度高，軟氮化的表層是碳、氮共同的化合物，這種化合物韌性好且耐磨。
在氣體軟氮化過程中，由于碳原子的溶解度極低，所以很快達到飽和狀態(tài)，析出許多超顯微的滲碳體質(zhì)點。這些滲碳體質(zhì)點，作為氮化物結(jié)晶的核心，促使氮化物的形成。而當表層氮濃度達到一定時便形成ε相，而ε相的碳溶解能力很高，反過來又能加速碳的溶解。
氣體軟氮化后，其組織由ε相，γ′相和含氮的滲碳體Fe3（C，N）所組成，碳會降低氮的擴散速度，所以熱應(yīng)力和組織應(yīng)力較硬氮化大，滲層更薄。但同時，由于軟氮化層不存在ξ相，故氮化層韌性比硬氮化后更佳。
3.2、工藝參數(shù)
氣體軟氮化的主要工藝參數(shù)為氮化溫度，氮化時間，以及氮化氣氛。
氣體軟氮化溫度常用560-570℃，因該溫度下氮化層硬度最高。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小時達到最高，而隨時間的延長，氮化層深度增加緩慢。氮化氣氛由氨氣分解率和含碳滲劑的滴量速度所決定。
4、對比分析
4.1、試驗內(nèi)容
取同一批次H13模具鋼共4件，其中2件做氣體硬氮化處理，另外2件做氣體軟氮化處理。
氣體硬氮化采用氮化工藝如下：氮化溫度530±10℃，氮化時間15小時，氨氣分解率25%-30%。試樣編號為1-2號。
氣體軟氮化采用氨氣和甲酰胺為共滲介質(zhì)，氮化工藝如下：氮化溫度570±10℃，保溫期氨氣分解率控制在25%-30%，甲酰胺滴量為70-80滴/分，保溫時間3-4小時；凈化期氨氣分解率為65-80%，時間1小時。試樣編號為3-4號。
4.2、試驗數(shù)據(jù)及分析
圖1為所得試樣滲氮層硬度梯度對比。從中可以看出，4件試樣表面硬度以及硬度梯度曲線都較為相近，說明H13模具鋼經(jīng)氣體硬氮化和氣體軟氮化后滲氮層硬度相差不大。表層硬度達到了1000-1200HV，均能滿足鋁型材熱擠壓的需要。氣體軟氮化硬度曲線更陡的特性未表現(xiàn)出來，可能是測量的滲層深度還不夠的原因。
圖2至圖5依次為1-4號試樣氮化后白亮層的金相顯微圖，可以發(fā)現(xiàn)，4件試樣的白亮層厚度差距很小。
圖2
圖3
圖4
圖5
本文通過對鋁型材擠壓用的H13模具鋼氣體硬氮化與氣體軟氮化的原理、工藝參數(shù)、氮化層組織性能等方面進行對比分析，結(jié)果表明氣體硬氮化與氣體軟氮化各有優(yōu)劣，應(yīng)采用適合本企業(yè)實際情況的氮化方法。H13模具鋼氣體硬氮化和氣體軟氮化后，其硬度和白亮層的差距很小，都能較好地適應(yīng)鋁型材熱擠壓的工作環(huán)境。相較而言，氣體軟氮化的效率更高，但工藝相對復(fù)雜，對操作人員的要求也更高。鋁型材生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身需要和實際情況選擇適合本公司的氮化方式。
