1.前言

滲氮是指使氮原子滲入工件表層內(nèi)的鋼鐵熱處理工藝，目的是提高工件的表面硬度、耐磨性、提高疲勞強度和抗腐蝕性能。它是利用氨氣在加熱時分解出活性氮原子，被零件吸收后在其表面形成氮化層，同時向心部擴散的特殊熱處理過程。鋁材擠壓模需要在高壓高溫及高強度摩擦力的條件下使用，由于工況條件惡劣，要求模具材質(zhì)具有高的淬透性、高溫強度、耐磨性及抗熱裂能力。H13是重要的熱作模具鋼，具有優(yōu)良的熱強性、塑韌性、抗氧化性及熱疲勞抗力，熱處理變形小，是目前使用最廣泛和最具代表性的熱作模具鋼種[1]。但H13擠壓模具在高溫下工作面抗粘合性差，使用壽命短。實際使用中需對模具進行表面改性處理以提高使用壽命。H13中有較多的Cr、Mo等元素，氮化時能生成豐富穩(wěn)定的氮化物并使其彌散分布，有利于提高模具的耐磨性、抗熱疲勞性及抗粘合性等，離子滲氮是目前常用成熟的磨具鋼表面改性技術(shù)[2]。

2.氮化層組織的形成機理

離子滲氮氣氛中氮和碳的含量是影響化合物層相結(jié)構(gòu)的重要因素。氮化后的滲層包括表面化合物層以及次表層的擴散層，自滲氮材料表面向內(nèi)，化合物層組織是從FeN→Fe2N→Fe3N→Fe4N變化的，依次得到ε、γ＇、α-Fe[3]。采用金相顯微鏡對氮化層組織進行分析，用4%硝酸酒精對試樣腐蝕，得到如下圖1組織及形態(tài)：

圖1 H13模具鋼氮化層組織及形態(tài)

觀察可得表層區(qū)域為含氮馬氏體，其上分布有1級白色脈狀氮化物，心部組織為馬氏體和粒狀碳化物。

（1）氮化氣氛對氮化層厚度的影響

氣氛含氮量對化合物層相結(jié)構(gòu)的影響，隨著氣氛含氮量增加，化合物層中ε相含量增多，白亮層也隨之增厚，氣氛中添加含碳氣體將抑制γ＇形成，而得到以ε相為主或ε單相結(jié)構(gòu)的化合物層。根據(jù)J.kollbel“濺射-沉積”理論，當離子滲氮爐內(nèi)工作氣壓很低時，單位體積內(nèi)氣體分子/原子數(shù)量很少，電子和離子的自由程較長，動能較大，使得陰極表面濺射出來的鐵離子的自由程較長，工件表面附近形成FeN以及FeN沉積到工件表面的幾率降低，離子動能增加使得電子/離子轟擊工件表面引起的濺射效應(yīng)增加，新形成的化合物層很快被濺射；同時，由于轟擊工件表面的離子數(shù)量減少，為了維持滲氮溫度，必須增加工作電壓，這時轟擊陰極表面的離子動能增大，陰極濺射速度增大，使表面化合物層較薄。而當工作氣壓很高時，單位體積內(nèi)氣體分子/原子數(shù)量增加，雖然碰撞機率增加，但電子和離子的自由程縮短，動能減小，使得氣體的離化率下降，同時離子轟擊工件表面引起的濺射效應(yīng)下降，而沒有足夠的鐵離子形成FeN沉積，最終導(dǎo)致滲氮層減薄[2]。

（2）工作氣壓對氮化層厚度的影響

離子滲氮時，由于離子轟擊作用，使ε相、γ＇相層中產(chǎn)生大量的與表面垂直位錯的管道，此位錯的產(chǎn)生有利于間隙原子的擴散，但ε相、γ＇相層厚度超過位錯影響區(qū)的厚度時，擴散速度變緩。同時在具有多相層的擴散中，滲氮層厚度的增長速度決定于擴散速度最小的那一相的擴散過程。當化合物層形成一定厚度后，在化合物層和擴散區(qū)的界面即建立起相對穩(wěn)定的氮濃度梯度，此后擴散區(qū)厚度的增長主要取決于氮向內(nèi)部的擴散速度，而與工作氣壓關(guān)系不大[4]。

（3）工作氣壓對硬度的影響

圖2是不同工作氣壓下氮化層的硬度梯度曲線。在不同工作氣壓下離子滲氮后，H13的表面硬度有顯著提高，均在1050HV0.3以上。而且氮化層的硬度梯度分布較平緩，滲層越厚，硬度梯度變化越平緩，而變化平緩的硬度梯度對提高模具材料的耐磨性具有良好的效果。顯然，選用合適的工作氣壓，有利于提高模具的耐磨性。

圖2 滲氮層的硬度梯度曲線

H13鋼化合物層厚度在氮化初期增長較快，保溫2~4小時后變化不大。一般合金結(jié)構(gòu)鋼在用分解氨滲氮時，隨保溫時間延長，ε相減少，γ＇相增多，長時間保溫后，化合物層基本由γ＇相組成。滲氮時，從500℃升到達560℃，化合物層中ε和γ＇均增加，當升到580~600℃時，ε相突然減少，γ＇相數(shù)量猛增，當溫度升到620℃，γ＇相數(shù)量急劇減少，升到650℃以上則化合物層分解。

3.結(jié)論

本文通過對擠壓模具鋼H13滲氮層組織的形成機理進行深入分析研究，對擠壓模具鋼在滲氮中各影響因素進行了全面分析。結(jié)果表明，采用合理的滲氮工藝將大大提升鋁型材擠壓工模具的壽命及性能。離子滲氮時，氣壓通過影響等離子體輝光放電特性對滲氮層的組織和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，氣壓過低或過高均不利于滲氮的進行。同時在整個過程中保持等離子區(qū)的低氮勢，以避免在表面產(chǎn)生γ＇氮化物的晶核，故此時氮勢應(yīng)恰好僅低于臨界值，以使擴散層能被氮所飽和，并且在硬度和深度上不致比通常的擴散層加化合物層降低太多。 對H13而言，采用N2/H2=2:1，滲氮溫度為540℃，滲氮時間為2h時，選用533～1066Pa的氣壓是較合適的，滲氮后工件的表面硬度均在1050HV0.3以上，滲層硬度分布平緩，滲氮化合物層厚度最高達9μm，滲氮層總厚度可達0.15mm左右。