1．引言

模具在工作中除了要求基體具有足夠高的強度和韌性的合理配合外，其表面性能對模具的工作性能和使用壽命至關(guān)重要。這些表面性能指：耐磨損性能、耐腐蝕性能、摩擦系數(shù)、疲勞性能等。這些性能的改善，單純依賴基體材料的改進和提高是非常有限的，也是不經(jīng)濟的，而通過表面處理技術(shù)，往往可以收到事半功倍的效果。

滲氮，作為化學熱處理技術(shù)較為成熟的一種，是指在一定溫度下將活性氮原子滲入模具表面的熱處理工藝。滲氮后模具的變形小，具有比傳統(tǒng)的熱處理工藝（淬火）更高的硬度，可以增加其耐磨性、疲勞強度、抗咬合性、抗腐蝕性及抗高溫軟化性等。

滲氮工藝有以下特點

1）氮化物層形成溫度低，一般為480-580℃，由于擴散速度慢，所以工藝時間長。

2）氮化處理溫度低，變形很小

3）滲氮工件不需要再進行熱處理，便具有較高的表面硬度

2．試驗內(nèi)容

2.1 氣體滲氮工藝參數(shù) 

滲氮溫度、滲氮時間和氨分解率是氣體滲氮三個重要的工藝參數(shù)。它們對滲氮速度、滲層深度、滲層硬度、硬度梯度以及脆性都有極大影響。  

滲氮溫度的提高會促進氮原子的擴散，所以滲層深度會隨溫度的增加而加深，滲層硬度會下降，這是因為產(chǎn)生高硬度的細小氮化物會隨溫度的升高而長大的緣故。在480~530℃滲氮時，滲層可獲得很高的硬度。    
隨時間的延長，滲層深度加深，但由于氮化物的集聚長大會使?jié)B層硬度下降，尤其溫度高則更為明顯。    

氨分解率會影響鋼件表面的吸氮能力，對滲層深度和硬度也有影響。當氨分解率低時(10%~40%)，分解出的活性氮原子多被鋼件表面吸收。當分解率超過70%時，由于氣氛中大量的氫和氮的分子滯留在工件表面，阻礙了氮原子的吸收，因而使吸氮量下降。

針對影響氮化效果的因素，分以下5個試樣作試驗對比

為了與實際生產(chǎn)應(yīng)用貼近，本次試驗檢測重點為滲氮層硬度與金相觀察，氨分解率與加熱溫度、氨氣的流量有關(guān)，為方便試驗，本次選取30-40%范圍內(nèi)進行。

試樣氮化層腐蝕圖片（100x）

圖一 試樣1（180μm）

圖二 試樣2（170μm）

圖三 試樣3（120μm）

圖四 試樣4 （175μm）

圖五 試樣5 （300μm）

圖六 試樣5擴散層氮化物（500x）

表3 滲氮白亮層對比

滲氮層深度受滲氮溫度、滲氮時間的影響比較明顯。在540-550℃區(qū)間，相同的滲氮時間下，滲氮溫度的溫差帶來的滲層厚度變化并不明顯。但在520-540℃區(qū)間，滲層變化就較為明顯了。

對比前4個試樣，可見滲氮溫度下調(diào)的同時延長滲氮時間，同樣可以獲得較深的氮化層。延長氮化時間至20h，滲氮層的厚度加深明顯；但通過金相觀察發(fā)現(xiàn)，氮化的化合層（白亮層）已明顯增厚，擴散層氮化物組織變粗，這些因素會導(dǎo)致氮化鋼表層脆性的加大，降低了氮化鋼的使用壽命。

對比5個試樣的滲氮層硬度變化，發(fā)現(xiàn)最外層硬度差別不大，可能是滲氮溫度和氨分解率較為相近所致。而硬度梯度變化基本與金相觀察所得的結(jié)果相聯(lián)系，近似為滲氮層越厚，硬度梯度變化越緩慢。

圖七 硬度梯度變化示意圖（100x）

圖八 腐蝕圖片對比（100x）

圖七、八為試樣1腐蝕前和腐蝕后的硬度壓痕對比圖，硬度法檢測滲氮層深度要求為從試樣表面測至比基體維氏硬度值高50Hv處的垂直距離為滲氮層深度[1]。由表層至內(nèi)部，第5個點處于腐蝕后的黑白交界處，測得的數(shù)值也基本符合大于基體50Hv的要求?？梢娪捕确ㄅc金相檢測基本吻合。

圖九 偏析帶硬度對比（100x）

圖十 氮化層的偏析（500x）

部分試樣試驗過程中發(fā)現(xiàn)存在帶狀偏析。H13鋼的帶狀組織實質(zhì)上是由于合金元素沿鍛軋方向的偏析所引起。通常鋼液在冷卻凝固過程中以樹枝晶的方式長大，在不同時期凝固的晶內(nèi)和枝晶間的化學成分不均勻，存在合金元素偏析。鑄錠經(jīng)過鍛軋后，合金元素的偏析表現(xiàn)為沿鍛軋方向分布。碳元素分布越不均勻，帶狀組織越嚴重[2]。對退火狀態(tài)的H13鋼偏析帶的富碳區(qū)和富鐵區(qū)進行硬度檢測，測得的硬度分別為242Hv和189Hv，對氮化層偏析帶進行硬度檢測，同樣存在有約50Hv的差異。常規(guī)熱處理（退火-淬火-回火）無法顯著改善元素的不均勻分布狀況，不能消除帶狀偏析，而且?guī)钇鲞€可能會遺傳到后面的氮化組織。硬度和成分的不均勻性直接影響了鋼的沖擊韌性，還影響抗拉強度等一系列重要性能[3]。

4.結(jié)論

通過對比不同工藝參數(shù)的氮化鋼樣件，找出影響氮化效果的主要因素，并根據(jù)實際生產(chǎn)狀況相對應(yīng)地調(diào)整工藝，以獲取最好的經(jīng)濟效益。

       1.氮化溫度和氮化時間均能明顯影響氮化層的深度。對于某一相近的氮化層深度，在一定的溫度范圍內(nèi)，可通過提高氮化溫度來縮短氮化時間，以減少氮化工件的生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率。

2.滲氮溫度和滲氮時間對H13鋼的白亮層厚度影響并不明顯，對其表層硬度影響也不明顯，但對于其滲氮擴散層的硬度梯度影響較大，與金相觀察所得的厚度相對應(yīng)。

3.H13鋼的帶狀偏析會遺傳到后面的氮化工序，同時影響到鋼的使用性能。在退火工序前消除或減輕H13鋼的的帶狀偏析顯得意義重大。