《模具氮化及氮化设备》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模具氮化及氮化设备（33页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、氮化基础知识及氮化设备的基本结构渗氮原理渗氮原理（一）概论 1、什么叫渗氮？ 渗氮亦称氮化 ，是指在一定温度下，在含氮介质中使氮原子渗入模具(工件）表层的化学热处理方法。 2、氮化优点： 模具氮化后具有极高的表面硬度和耐磨性，高的疲劳性和高的耐腐蚀性，加热温度低，变形小。 3、氮化缺点： 生产周期较长。 4、氮化种类： 按目的分类：强化渗氮和抗蚀渗氮。 按介质分类：气体渗氮、液体渗氮、固体渗氮。 按设备分类：气体渗氮、离子渗氮、低压脉冲渗氮。l（二）原理l 1、气体渗氮基本过程l 气氛形成、吸附、分解、吸收和扩散五个步骤。氨气在400C以上将发生如下反应：l 2NH33H2+2Nl 2、渗氮过
2、程1 ）：向炉内不断输入氨气2 ）：氨分子向金属表面迁移3 ）：氨分子吸附在金属表面4 ）：氨分子在相界面上不断分解，形成氮原子和氢原子5 ）：活性原子复合成分子，经相界面反应的扩散层界，不断从炉内排出6 ）：表面吸附的氮原子溶解于a-Fe中7 ）：氮原子由金属表面向内部扩散，并产生相应的浓度梯度8 ）：当超过a-Fe中的溶解度后，在表面开始形成氮化物9） ：氮化物沿金属表面的垂直方向和平行方向长大10）：氮气物层不断增厚11）：从氮化物层向金属内部扩散。 3、合金元素对渗氮过程的影响l1)碳钢的含碳量越多，氮的扩散系数越小。l2)合金元素的影响la、合金元素与氮的亲和力顺序，依次递增：NiF
3、eMnCrMoWNbVTiZr。与氮的亲和力越强，形成的氮化物愈稳定。lb、H13渗氮时，形成合金氮化物主要由含Cr、Mo、V的碳化物与氮原子相互作用，在化合物层和扩散层形成三种弥散析出的CrN、Mo2N、VN合金元素的氮化物，具有高的硬度和熔点，但很脆。lC、合金元素的存在阻碍氮在铁中的扩散。l4、渗氮层的性能特点l1）、模具氮化后具有极高的硬度与耐磨性。H13可达950HV-l1200HV(相当与65.0-72.0HRC)，因摩擦系数低，因此具有良好的耐磨l性和减磨性。l2）、显著提高疲劳强度并降低缺口的敏感性；l3）、可以抵抗水，过热蒸汽及碱性溶液的腐蚀；l4）、渗氮表面白亮层的脆性是气
4、体渗氮的主要问题之一，白亮层的l脆性主要取决于它的相组成，主要决定因素是渗氮方法、渗氮规范l和材料的化学成分。此外，当白亮层出现明显疏松时也会增加脆性。l5）、一般零件只氮化一次，由于模具只要求工作带氮化（实际采用l整体氮化），因每次氮化前工作带都进行抛光，所以可以氮化多次。l5、渗氮前的预备热处理l 1）、 渗氮钢的调质（淬、回火）是为了获得均匀而致密的回火索氏体（马氏体）组织，保证心部的力学性能，并有利于获得均匀一致的渗氮层。如果欠热，铁素体（碳化物）溶解不完全，渗氮时局部氮的浓度过高，会出现很大的脆性，容易剥落。如果过热，除加剧脱碳倾向外，由于奥氏体晶粒粗大，渗氮时氮化物优先沿晶界伸展，
5、在渗氮层中出现明显的波纹状或网状氮化物，也使脆性增加。l2）、铝挤压模具原材料投料前应该进行超声波探伤l（GB/T4162-2008)和金相（NADCA#207-2003)组织检查，l不合格的禁用。热处理后进行100%硬度检查（HRC48-52)l及金相组织抽查按（JB/T8420-2000 标准）2-4级合格才l能出厂。模具内在组织合格是保证氮化质量好坏的前提l条件。 气体渗氮设备l渗氮介质、氮分解率测定仪l1、渗氮介质l 气体渗氮介质是氨气（NH3），氨气是无色气体，有强烈的刺激味，对人的眼睛和呼吸器官有伤害作用。l 渗氮使用氨（液态）应符合GB/T536-1988一级品的规定，纯度95%
6、（质量分数），水和油杂质5%（质量分数），干燥后水1%（质量分数），氨气在导入渗氮炉前，必须经过干燥（通入装有硅胶、氯化钙、生石灰或活性氧化铝的容器内）脱水。 氨分解率测定仪 氨分解率测定仪l2、氨分解率测定仪l 气体渗氮的结果主要由氨在炉内的行为来确定。l 在平衡状态下，当温度大于500时，理论上氨的分解率已达到99%，远远大于平衡值，也就是说实际分解率远小于平衡分解时的理论分解率。当炉内存在混合气时，在炉气中氨含量相同的情况下，混合气含量越高，氨分解率越低，氨气的流量和压力可通过针形阀进行调节。罐内压力用U形水压计测量，一般控制在30-50mm水柱。泡泡瓶内盛水，以观察供氨系统的流通状况。
7、在渗氮工艺控制技术中，渗氮气氛的“氮势”可定义为PNH3/PH21.5，可见氨分解率越低（通氨越多），氮势越高。 气体渗氮设备l l 生产中通常通过调节氨分解率控制渗氮过程。氨分解率测定仪，是利用氨溶于水而其分解产物不溶于水这一特性进行测量的。使用时首先将上半部加入适当的水，然后将炉罐中的废气引入标有刻度的玻璃容器中，通过泡泡瓶排出，然后依次关闭排气阀、排水阀和进气阀，打开进水阀，向充满废气的玻璃容器中注水。由于氨溶于水，水占有的体积即可代表未分解氨的容积，剩余容积为分解产物占据，从刻度可直接读出氨分解率。近年来，随着技术的发展，以电信号来反映氨分解率的测量仪器已投入生产应用，使得渗氮过程计算
8、机控制成为可能。 气体渗氮设备l3、氨分解率l 渗氮处理时，在排气的气体中，除掉氨气的部分气体占气体整体容积的百分率。l4、氮势l 氮势是反映气体渗氮能力的重要参数指标，气体氮势越高（氨分解率越低），其渗氮能力越强。 气体渗氮设备l（二）渗氮设备l1、渗氮炉要求符合GB/T9452-2000规定。l1）、有效加热区炉温均匀性不应超过10.（最好5）l2）、炉罐应有良好密封。l3）、应设有氨分解率测定装置。l4）、控温系统应保证炉子温度符合工艺要求。 气体渗氮设备l2、渗氮炉结构及其装置l1）、炉体、炉盖l2）、电器、温控系统：热电偶、温度计l3）、风搅拌系统：风机、导风筒l4）、供气及测量系统
9、：气瓶、阀、压力表、分解仪l5）、水循环系统渗氮装置示意图l图片l图片 氮化常见操作工艺及问题分析l一、准备l1、核对模具数量，帐卡物相符。l2、检查模具表面有无缺陷。l3、清理模具表面油污并吹干，两次以上氮化模具最好把表面氧化皮清理干净。l4、把模具放置料框中，相距大于10mm,允许分层装。l5、把料框装入炉内。 氮化工艺l二、按工艺进行升温、保温、降温。作好记录并巡回检查。l三、渗氮操作工艺l 气体渗氮工艺过程包括升温、保温渗氮和冷却三个阶段。在渗氮阶段，整个渗氮过程划分为三个时期：强渗氮、扩散期、强烈扩散期。每个时期的氨分解率是不同的，可根据氮势需要进行调节。l 模具氮化常用 氮化工艺方
10、法有两种：一段式氮化法和二段式氮化法。采用哪一种工艺要通过检测随炉试样和模具使用效果决定。l 此外，长期使用，炉罐会出现氨分解率增高，影响炉气氮势控制。如遇此情况，停炉进行脱氮处理。600-650保温4-6H。一段式渗氮法l图片炉内510-520，控制530-550分解率30-50分解率70-808-10h1-2h随炉冷到200以下出炉空冷排空正压一段氮化法l 300450 炉内510-530控制530-550 分解率 60-分解率35-50 8-10h1-2h05h05h正压正压正压炉冷到200以下空冷二段氮化法 炉内510-530 控制540-550分解率 40-60 分解率 70-905
11、00-510分解率20-303000、5h4-5h4-5h1-2h正压正压随炉降温到200以下出炉空冷二段氮化法：强渗与扩散两段，可以减缓氮化层梯度，缩短氮化总的时间。 常见问题及预防措施缺陷特征缺陷特征 产生原因产生原因 预防及补救措施预防及补救措施渗氮层深浅度（1）温度低，保温时间不够。（2）第一阶段氨分解率过高、过低。（3）装炉不当，工作之间距离太小。（4）新炉罐夹具有未预渗或使用时间太久。（1）严格工艺纪律，按规定的温度、时间生产。（2）补救：在正常温度下再渗氮数小时表面硬度低（1）升温速度快，渗氮罐内温差大，氮化温度高。（2）中断供氨。（3）第一阶段保温时间短，第二阶段保温时间太长，
12、氨分解率过高。（4）装炉量太多，炉气循环不好。（5）零件表面不清洁，有氧化皮。（6）新渗氮罐和夹具未预渗氮。（1）经常校队炉温、仪表。（2）缓慢升温，升温到300、400-450保温1h均温。（3）根据工艺试验确定各个阶段的氨分解率，确定各个阶段保温时间。（4）补救措施 允许重新渗氮，按原工艺也行。渗氮层硬度不均匀有软点（1）炉温不均匀，装炉量多，模具靠在一起或进氨气管道堵塞。（2）材料夹杂物严重。（3）表面油污。（1保证设备炉温均匀5，模具拆开装炉，保证一定间隙使炉气畅通，循环正常（2）加强原材料检验。（3）氮化前将工件清洗干净。 常见问题及预防措施 缺陷特征缺陷特征 产生原因产生原因 预防
13、及补救措施预防及补救措施渗氮层出现网状或波纹状氮化物或针状鱼骨状氮化物（1）炉温过高，氨含水高（2）材质晶粒粗大，脱碳层未去除（3）工件有棱边锐角（1）严控渗氮温度（2）氨应脱水充分，干燥剂更换或再生（3）严控热处理工艺，实行无氧化加热（4）避免棱边和锐角表层脆性过大表面起泡剥落（1）液氨含水量高（2）表面脱碳层未去除掉（3）氨分解率过低（4）退氮处理不当，时间不足（5）零件表面粗糙有锈蚀（6）原材料带状组织及非金属夹杂物严重（7）尖角、表层处形成波纹状氮化物或网状氮化物（8）白亮层太厚（9）渗氮层深度不均匀（1）更换氨干燥剂或干燥剂再生（2）加大模具加工余量，表面不得有脱碳、贫碳（3）按技术
14、要求进行退氮处理，降低含氮量（4）挽救方法：凡不因表面脱碳而引起的脆性可以退氮处理，允许表面有氧化色，可在空气中冷却，加工余量大时，可磨掉一些化合物层（5）将零件清理干净（6）通过预先热处理，消除原材料缺陷（7）选用合格原材料（8）零件尽量采用圆角或倒角（9）带试样检查，调整工艺参数（10）保证装炉间隙使炉气畅通、温度均匀 常见问题及预防措施缺陷特征缺陷特征 产生原因产生原因 预防及补救措施预防及补救措施表面出现氧化色（1）渗氮罐漏气、退氮处理或降温时炉内压力低，使冷空气进入（2）出炉温度过高（3）干燥剂失效（4）管道有积水（1）常查炉体密封情况，消除管道积水（2）降温或退氮处理时，炉压应大于
15、200pa，不得出现负压（3）定期烘烤干燥剂或更换（4）补救方法：可以用低压喷砂消除之再在500520补渗24h通氮炉冷至200以下出炉渗层不致密抗蚀性差（1）表面渗氮浓度低（2）零件原来有锈斑（1）氨分解率太高，适当调低（2）仔细清理工作表面可以重新渗氮 常见问题及预防措施l小结：l 1、铝型材热挤压模在工作时由于经受冷热交替的作用，模具表面易于发生因热疲劳引起的龟裂，导致制品表面质量不符合要求，模具表面裂纹的扩展还会引起早期失效。l 在模具表面渗氮，以便在模具表面形成压力状态，提高模具的热疲劳性能，有助于延长模具的工作寿命，这是一种常用的工艺方法。但是如果渗氮工艺控制不当，则易于在模具表面
16、形成过厚的白亮层，这层白亮层硬度高达950-1050HV，脆性较大，对微裂纹很敏感；而在渗氮层的次表层，还易出现脉状氮化物，脉状氮化物韧性低，易剥落。因而，渗氮层的质量控制对提高模具表面的热疲劳性能有很大的影响。 常见问题及预防措施l 采用合理的渗氮工艺，避免渗氮层的氮浓度过高，获得合适的渗氮组织，才能有效提高模具的热疲劳性能。而不当的渗氮工艺所产生的低劣渗氮层，反而会导致模具的早期失效。l l 2、H13模具渗氮层由白色化合物和黑色扩散层组成。化合物层存在相，相和弥散分布的CrN,Mo2N,VN相。黑色扩散层存在含氮相，脉状氮化物及弥散分布的CrN,Mo2N,VN相。脉状组织是合金元素和氮原
17、子在原奥氏体金界偏聚形成合金氮化物。合理控制渗氮时间、温度和氮势，脉状组织可减少为细小颗粒状。l l l 氮化检验标准及方法 氮化检验及方法l一、名词解释l 1、原始组织：模具淬、回火后的组织：回火马氏体及残余奥氏体，硬度为：48.0-52.0HRC;、l 2、渗氮层深度：渗氮层包括化合物层（白亮层）和扩散层。l 3、渗氮层脆性：渗氮表面在HV10的试验力作用下，压痕边角碎裂的程度。l 4、渗氮层疏松：指化合物层内微孔的密集程度。l 5、脉状氮化物：扩散层中与表面平行走向的脉浪状氮化物。l二、检验内容l 1、表面不应有裂纹、发纹、剥落及肉眼可见的疏松等缺陷。l 2、深度：检测必须在模具上切取的
18、试样或随炉试样上进行。方法有断口法、金相法和硬度法。l 第一次氮化层深度0.08-0.15mm；第二次氮化层深度0.15-0.20mm;第三次氮化层深度0.20-0.30mm。l&渗氮层深度偏差的允许值（mm)渗氮层深度渗氮层深度 深度偏差深度偏差 单件 同批0.3以下0.050.100.3-0.60.100.150.6以下0.150.20l3、硬度l 按照标准应该使用维氏硬度计，但由于很多单位不具备条件，所以把模具磨光，用洛氏硬度计和里氏硬度计在模具表面打硬度，用作参考。l4、脆性：用维氏硬度计检测：1-3级合格，最好1-2级。l5、疏松：一般1-3级合格，重要件1-2级合格 硬度种类硬度种类氮化次数氮化次数维氏硬度维氏硬度 (HV0.3)里氏硬度里氏硬度 (HRC)洛氏硬洛氏硬度度 (HRC)第一次氮化85055-5853-56第二次氮化900-100058-6256-60第三次氮化1000-115060-6360-62
