模具氮化及氮化設備

1、氮化基礎知識及氮化設備的基本結構滲氮原理滲氮原理（一）概論 1、什么叫滲氮？ 滲氮亦稱氮化 ，是指在一定溫度下，在含氮介質中使氮原子滲入模具(工件）表層的化學熱處理方法。 2、氮化優(yōu)點： 模具氮化后具有極高的表面硬度和耐磨性，高的疲勞性和高的耐腐蝕性，加熱溫度低，變形小。 3、氮化缺點： 生產(chǎn)周期較長。 4、氮化種類： 按目的分類：強化滲氮和抗蝕滲氮。 按介質分類：氣體滲氮、液體滲氮、固體滲氮。 按設備分類：氣體滲氮、離子滲氮、低壓脈沖滲氮。l（二）原理l 1、氣體滲氮基本過程l 氣氛形成、吸附、分解、吸收和擴散五個步驟。氨氣在400c以上將發(fā)生如下反應：l 2nh33h2+2nl 2、滲氮過

2、程1 ）：向爐內不斷輸入氨氣2 ）：氨分子向金屬表面遷移3 ）：氨分子吸附在金屬表面4 ）：氨分子在相界面上不斷分解，形成氮原子和氫原子5 ）：活性原子復合成分子，經(jīng)相界面反應的擴散層界，不斷從爐內排出6 ）：表面吸附的氮原子溶解于a-fe中7 ）：氮原子由金屬表面向內部擴散，并產(chǎn)生相應的濃度梯度8 ）：當超過a-fe中的溶解度后，在表面開始形成氮化物9） ：氮化物沿金屬表面的垂直方向和平行方向長大10）：氮氣物層不斷增厚11）：從氮化物層向金屬內部擴散。 3、合金元素對滲氮過程的影響l1)碳鋼的含碳量越多，氮的擴散系數(shù)越小。l2)合金元素的影響la、合金元素與氮的親和力順序，依次遞增：nif

3、emncrmownbvtizr。與氮的親和力越強，形成的氮化物愈穩(wěn)定。lb、h13滲氮時，形成合金氮化物主要由含cr、mo、v的碳化物與氮原子相互作用，在化合物層和擴散層形成三種彌散析出的crn、mo2n、vn合金元素的氮化物，具有高的硬度和熔點，但很脆。lc、合金元素的存在阻礙氮在鐵中的擴散。l4、滲氮層的性能特點l1）、模具氮化后具有極高的硬度與耐磨性。h13可達950hv-l1200hv(相當與65.0-72.0hrc)，因摩擦系數(shù)低，因此具有良好的耐磨l性和減磨性。l2）、顯著提高疲勞強度并降低缺口的敏感性；l3）、可以抵抗水，過熱蒸汽及堿性溶液的腐蝕；l4）、滲氮表面白亮層的脆性是氣

4、體滲氮的主要問題之一，白亮層的l脆性主要取決于它的相組成，主要決定因素是滲氮方法、滲氮規(guī)范l和材料的化學成分。此外，當白亮層出現(xiàn)明顯疏松時也會增加脆性。l5）、一般零件只氮化一次，由于模具只要求工作帶氮化（實際采用l整體氮化），因每次氮化前工作帶都進行拋光，所以可以氮化多次。l5、滲氮前的預備熱處理l 1）、 滲氮鋼的調質（淬、回火）是為了獲得均勻而致密的回火索氏體（馬氏體）組織，保證心部的力學性能，并有利于獲得均勻一致的滲氮層。如果欠熱，鐵素體（碳化物）溶解不完全，滲氮時局部氮的濃度過高，會出現(xiàn)很大的脆性，容易剝落。如果過熱，除加劇脫碳傾向外，由于奧氏體晶粒粗大，滲氮時氮化物優(yōu)先沿晶界伸展，

5、在滲氮層中出現(xiàn)明顯的波紋狀或網(wǎng)狀氮化物，也使脆性增加。l2）、鋁擠壓模具原材料投料前應該進行超聲波探傷l（gb/t4162-2008)和金相（nadca#207-2003)組織檢查，l不合格的禁用。熱處理后進行100%硬度檢查（hrc48-52)l及金相組織抽查按（jb/t8420-2000 標準）2-4級合格才l能出廠。模具內在組織合格是保證氮化質量好壞的前提l條件。 氣體滲氮設備l滲氮介質、氮分解率測定儀l1、滲氮介質l 氣體滲氮介質是氨氣（nh3），氨氣是無色氣體，有強烈的刺激味，對人的眼睛和呼吸器官有傷害作用。l 滲氮使用氨（液態(tài)）應符合gb/t536-1988一級品的規(guī)定，純度95%

6、（質量分數(shù)），水和油雜質5%（質量分數(shù)），干燥后水1%（質量分數(shù)），氨氣在導入滲氮爐前，必須經(jīng)過干燥（通入裝有硅膠、氯化鈣、生石灰或活性氧化鋁的容器內）脫水。 氨分解率測定儀 氨分解率測定儀l2、氨分解率測定儀l 氣體滲氮的結果主要由氨在爐內的行為來確定。l 在平衡狀態(tài)下，當溫度大于500時，理論上氨的分解率已達到99%，遠遠大于平衡值，也就是說實際分解率遠小于平衡分解時的理論分解率。當爐內存在混合氣時，在爐氣中氨含量相同的情況下，混合氣含量越高，氨分解率越低，氨氣的流量和壓力可通過針形閥進行調節(jié)。罐內壓力用u形水壓計測量，一般控制在30-50mm水柱。泡泡瓶內盛水，以觀察供氨系統(tǒng)的流通狀況。

7、在滲氮工藝控制技術中，滲氮氣氛的“氮勢”可定義為pnh3/ph21.5，可見氨分解率越低（通氨越多），氮勢越高。 氣體滲氮設備l l 生產(chǎn)中通常通過調節(jié)氨分解率控制滲氮過程。氨分解率測定儀，是利用氨溶于水而其分解產(chǎn)物不溶于水這一特性進行測量的。使用時首先將上半部加入適當?shù)乃缓髮t罐中的廢氣引入標有刻度的玻璃容器中，通過泡泡瓶排出，然后依次關閉排氣閥、排水閥和進氣閥，打開進水閥，向充滿廢氣的玻璃容器中注水。由于氨溶于水，水占有的體積即可代表未分解氨的容積，剩余容積為分解產(chǎn)物占據(jù)，從刻度可直接讀出氨分解率。近年來，隨著技術的發(fā)展，以電信號來反映氨分解率的測量儀器已投入生產(chǎn)應用，使得滲氮過程計算

8、機控制成為可能。 氣體滲氮設備l3、氨分解率l 滲氮處理時，在排氣的氣體中，除掉氨氣的部分氣體占氣體整體容積的百分率。l4、氮勢l 氮勢是反映氣體滲氮能力的重要參數(shù)指標，氣體氮勢越高（氨分解率越低），其滲氮能力越強。 氣體滲氮設備l（二）滲氮設備l1、滲氮爐要求符合gb/t9452-2000規(guī)定。l1）、有效加熱區(qū)爐溫均勻性不應超過10.（最好5）l2）、爐罐應有良好密封。l3）、應設有氨分解率測定裝置。l4）、控溫系統(tǒng)應保證爐子溫度符合工藝要求。 氣體滲氮設備l2、滲氮爐結構及其裝置l1）、爐體、爐蓋l2）、電器、溫控系統(tǒng)：熱電偶、溫度計l3）、風攪拌系統(tǒng)：風機、導風筒l4）、供氣及測量系統(tǒng)

9、：氣瓶、閥、壓力表、分解儀l5）、水循環(huán)系統(tǒng)滲氮裝置示意圖l圖片l圖片 氮化常見操作工藝及問題分析l一、準備l1、核對模具數(shù)量，帳卡物相符。l2、檢查模具表面有無缺陷。l3、清理模具表面油污并吹干，兩次以上氮化模具最好把表面氧化皮清理干凈。l4、把模具放置料框中，相距大于10mm,允許分層裝。l5、把料框裝入爐內。 氮化工藝l二、按工藝進行升溫、保溫、降溫。作好記錄并巡回檢查。l三、滲氮操作工藝l 氣體滲氮工藝過程包括升溫、保溫滲氮和冷卻三個階段。在滲氮階段，整個滲氮過程劃分為三個時期：強滲氮、擴散期、強烈擴散期。每個時期的氨分解率是不同的，可根據(jù)氮勢需要進行調節(jié)。l 模具氮化常用 氮化工藝方

10、法有兩種：一段式氮化法和二段式氮化法。采用哪一種工藝要通過檢測隨爐試樣和模具使用效果決定。l 此外，長期使用，爐罐會出現(xiàn)氨分解率增高，影響爐氣氮勢控制。如遇此情況，停爐進行脫氮處理。600-650保溫4-6h。一段式滲氮法l圖片爐內510-520，控制530-550分解率30-50分解率70-808-10h1-2h隨爐冷到200以下出爐空冷排空正壓一段氮化法l 300 450 爐內510-530控制530-550 分解率 60-分解率35-50 8-10h1-2h05h05h正壓正壓正壓爐冷到200以下空冷二段氮化法 爐內510-530 控制540-550分解率 40-60 分解率 70-90

11、500-510分解率20-303000、5h4-5h4-5h1-2h正壓正壓隨爐降溫到200以下出爐空冷二段氮化法：強滲與擴散兩段，可以減緩氮化層梯度，縮短氮化總的時間。 常見問題及預防措施缺陷特征缺陷特征 產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因 預防及補救措施預防及補救措施滲氮層深淺度（1）溫度低，保溫時間不夠。（2）第一階段氨分解率過高、過低。（3）裝爐不當，工作之間距離太小。（4）新爐罐夾具有未預滲或使用時間太久。（1）嚴格工藝紀律，按規(guī)定的溫度、時間生產(chǎn)。（2）補救：在正常溫度下再滲氮數(shù)小時表面硬度低（1）升溫速度快，滲氮罐內溫差大，氮化溫度高。（2）中斷供氨。（3）第一階段保溫時間短，第二階段保溫時間太長

12、，氨分解率過高。（4）裝爐量太多，爐氣循環(huán)不好。（5）零件表面不清潔，有氧化皮。（6）新滲氮罐和夾具未預滲氮。（1）經(jīng)常校隊爐溫、儀表。（2）緩慢升溫，升溫到300、400-450保溫1h均溫。（3）根據(jù)工藝試驗確定各個階段的氨分解率，確定各個階段保溫時間。（4）補救措施 允許重新滲氮，按原工藝也行。滲氮層硬度不均勻有軟點（1）爐溫不均勻，裝爐量多，模具靠在一起或進氨氣管道堵塞。（2）材料夾雜物嚴重。（3）表面油污。（1保證設備爐溫均勻5，模具拆開裝爐，保證一定間隙使爐氣暢通，循環(huán)正常（2）加強原材料檢驗。（3）氮化前將工件清洗干凈。 常見問題及預防措施 缺陷特征缺陷特征 產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因 預

13、防及補救措施預防及補救措施滲氮層出現(xiàn)網(wǎng)狀或波紋狀氮化物或針狀魚骨狀氮化物（1）爐溫過高，氨含水高（2）材質晶粒粗大，脫碳層未去除（3）工件有棱邊銳角（1）嚴控滲氮溫度（2）氨應脫水充分，干燥劑更換或再生（3）嚴控熱處理工藝，實行無氧化加熱（4）避免棱邊和銳角表層脆性過大表面起泡剝落（1）液氨含水量高（2）表面脫碳層未去除掉（3）氨分解率過低（4）退氮處理不當，時間不足（5）零件表面粗糙有銹蝕（6）原材料帶狀組織及非金屬夾雜物嚴重（7）尖角、表層處形成波紋狀氮化物或網(wǎng)狀氮化物（8）白亮層太厚（9）滲氮層深度不均勻（1）更換氨干燥劑或干燥劑再生（2）加大模具加工余量，表面不得有脫碳、貧碳（3）按技

14、術要求進行退氮處理，降低含氮量（4）挽救方法：凡不因表面脫碳而引起的脆性可以退氮處理，允許表面有氧化色，可在空氣中冷卻，加工余量大時，可磨掉一些化合物層（5）將零件清理干凈（6）通過預先熱處理，消除原材料缺陷（7）選用合格原材料（8）零件盡量采用圓角或倒角（9）帶試樣檢查，調整工藝參數(shù)（10）保證裝爐間隙使爐氣暢通、溫度均勻 常見問題及預防措施缺陷特征缺陷特征 產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因 預防及補救措施預防及補救措施表面出現(xiàn)氧化色（1）滲氮罐漏氣、退氮處理或降溫時爐內壓力低，使冷空氣進入（2）出爐溫度過高（3）干燥劑失效（4）管道有積水（1）常查爐體密封情況，消除管道積水（2）降溫或退氮處理時，爐壓應大

15、于200pa，不得出現(xiàn)負壓（3）定期烘烤干燥劑或更換（4）補救方法：可以用低壓噴砂消除之再在500520補滲24h通氮爐冷至200以下出爐滲層不致密抗蝕性差（1）表面滲氮濃度低（2）零件原來有銹斑（1）氨分解率太高，適當調低（2）仔細清理工作表面可以重新滲氮 常見問題及預防措施l小結：l 1、鋁型材熱擠壓模在工作時由于經(jīng)受冷熱交替的作用，模具表面易于發(fā)生因熱疲勞引起的龜裂，導致制品表面質量不符合要求，模具表面裂紋的擴展還會引起早期失效。l 在模具表面滲氮，以便在模具表面形成壓力狀態(tài)，提高模具的熱疲勞性能，有助于延長模具的工作壽命，這是一種常用的工藝方法。但是如果滲氮工藝控制不當，則易于在模具表

16、面形成過厚的白亮層，這層白亮層硬度高達950-1050hv，脆性較大，對微裂紋很敏感；而在滲氮層的次表層，還易出現(xiàn)脈狀氮化物，脈狀氮化物韌性低，易剝落。因而，滲氮層的質量控制對提高模具表面的熱疲勞性能有很大的影響。 常見問題及預防措施l 采用合理的滲氮工藝，避免滲氮層的氮濃度過高，獲得合適的滲氮組織，才能有效提高模具的熱疲勞性能。而不當?shù)臐B氮工藝所產(chǎn)生的低劣滲氮層，反而會導致模具的早期失效。l l 2、h13模具滲氮層由白色化合物和黑色擴散層組成?；衔飳哟嬖谙啵嗪蛷浬⒎植嫉腸rn,mo2n,vn相。黑色擴散層存在含氮相，脈狀氮化物及彌散分布的crn,mo2n,vn相。脈狀組織是合金元素和氮

17、原子在原奧氏體金界偏聚形成合金氮化物。合理控制滲氮時間、溫度和氮勢，脈狀組織可減少為細小顆粒狀。l l l 氮化檢驗標準及方法 氮化檢驗及方法l一、名詞解釋l 1、原始組織：模具淬、回火后的組織：回火馬氏體及殘余奧氏體，硬度為：48.0-52.0hrc;、l 2、滲氮層深度：滲氮層包括化合物層（白亮層）和擴散層。l 3、滲氮層脆性：滲氮表面在hv10的試驗力作用下，壓痕邊角碎裂的程度。l 4、滲氮層疏松：指化合物層內微孔的密集程度。l 5、脈狀氮化物：擴散層中與表面平行走向的脈浪狀氮化物。l二、檢驗內容l 1、表面不應有裂紋、發(fā)紋、剝落及肉眼可見的疏松等缺陷。l 2、深度：檢測必須在模具上切取的試樣或隨爐試樣上進行。方法有斷口法、金相法和硬度法。l 第一次氮化層深度0.08-0.15mm；第二次氮化層深度0.15-0.20mm;第三次氮化層深度0.20-0.30mm。l&滲氮層深度偏差的允許值（mm)滲氮層深度滲氮層深度 深度偏差深度偏差 單件 同批0.3以下0.050.1