模具表面强化处理技术.ppt
第第5 5章章 模具表面强化处理技术模具表面强化处理技术5.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化5.25.2模具表面涂覆处理技术模具表面涂覆处理技术5.35.3表面加工强化处理表面加工强化处理模具表面化学热处理是指将模具零件置于特定的活性介质中加模具表面化学热处理是指将模具零件置于特定的活性介质中加热和保温，使一种或几种元素渗入模具零件表面，以改变表层的化热和保温，使一种或几种元素渗入模具零件表面，以改变表层的化学成分、组织学成分、组织!使表层具有与心部不同的力学性能或特殊的物理使表层具有与心部不同的力学性能或特殊的物理 化化学性能的热处理工艺。化学热处理的种类很多，一般都以渗入的元学性能的热处理工艺。化学热处理的种类很多，一般都以渗入的元素来命名，根据渗入元素的不同，模具的化学热处理可分为渗碳、素来命名，根据渗入元素的不同，模具的化学热处理可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗、渗硫、硫氮共渗、渗硼、碳氮硼三元渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗、渗硫、硫氮共渗、渗硼、碳氮硼三元共渗、硫氮碳三元共渗、渗金属等。共渗、硫氮碳三元共渗、渗金属等。5.1.1 5.1.1 模具零件的渗碳模具零件的渗碳渗碳是目前模具表面热处理中应用最广泛的一种化学热处理方渗碳是目前模具表面热处理中应用最广泛的一种化学热处理方法。其工艺特点是将低碳钢或低碳合金钢模具在增碳的活性介质中法。其工艺特点是将低碳钢或低碳合金钢模具在增碳的活性介质中,5.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化下一页 返回加热到加热到850850950950，保温一定时间，使碳原子渗入表面层，随，保温一定时间，使碳原子渗入表面层，随后淬火并低温回火使模具表层与心部具有不同成分、组织和性能。后淬火并低温回火使模具表层与心部具有不同成分、组织和性能。模具零件经渗碳后其表面硬度和耐磨性大大提高，同时由于心模具零件经渗碳后其表面硬度和耐磨性大大提高，同时由于心部和表面的含碳量不同，硬化后的表面获得有利的残余压应力，从部和表面的含碳量不同，硬化后的表面获得有利的残余压应力，从而进一步提高渗碳工件的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。根据渗碳而进一步提高渗碳工件的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。根据渗碳介质的物理状态不同，可将渗碳方法分为固体渗碳、气体渗碳、真介质的物理状态不同，可将渗碳方法分为固体渗碳、气体渗碳、真空渗碳和离子渗碳等。空渗碳和离子渗碳等。1.1.固体渗碳固体渗碳是将工件置于填满木炭和碳酸钡的密封箱内进行，渗碳剂是木是将工件置于填满木炭和碳酸钡的密封箱内进行，渗碳剂是木炭和碳酸钡的混合物。其中木炭起渗碳作用，碳酸钡起催渗作用。炭和碳酸钡的混合物。其中木炭起渗碳作用，碳酸钡起催渗作用。5.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化下一页 返回上一页渗碳温度一般为渗碳温度一般为900900950950，在此高温下，木炭与空隙中的氧，在此高温下，木炭与空隙中的氧气反应形成气反应形成CO2CO2，CO2CO2与与C C反应形成不稳定的反应形成不稳定的COCO在工件表面分解得到活在工件表面分解得到活性碳原子，即可渗入工件表面形成渗碳层。性碳原子，即可渗入工件表面形成渗碳层。2.2.气体渗碳气体渗碳采用液体或气体碳氢化合物作为渗碳剂。国内应用最广的气体采用液体或气体碳氢化合物作为渗碳剂。国内应用最广的气体渗碳方法是滴注式气体渗碳，其方法是将工件置于密封的加热炉中，渗碳方法是滴注式气体渗碳，其方法是将工件置于密封的加热炉中，滴入煤油、丙酮、甲苯及甲醇等有机液体，这些渗碳剂在炉中形成滴入煤油、丙酮、甲苯及甲醇等有机液体，这些渗碳剂在炉中形成含有含有H2H2、CH4CH4、CO CO 和少量和少量CO2CO2的渗碳气氛，钢件在高温下与气体介质的渗碳气氛，钢件在高温下与气体介质发生反应。工件经渗碳后必须进行淬火才能获得高硬度、高耐磨性。发生反应。工件经渗碳后必须进行淬火才能获得高硬度、高耐磨性。渗碳主要用于承受大冲击、高强度、使用硬度为渗碳主要用于承受大冲击、高强度、使用硬度为585862HRC62HRC的小型模的小型模具。具。5.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化下一页 返回上一页1 1）气体渗碳工艺操作）气体渗碳工艺操作以某厂井式气体渗碳工艺为例，适用于以某厂井式气体渗碳工艺为例，适用于20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi等钢制等钢制造的模具零件，其渗层深度要求为造的模具零件，其渗层深度要求为1.11.11.3mm1.3mm。渗碳剂由煤油直接。渗碳剂由煤油直接滴入。渗碳过程由排气、强烈渗碳、扩散及降温滴入。渗碳过程由排气、强烈渗碳、扩散及降温4 4个阶段组成。如个阶段组成。如图图5-35-3所示。所示。（1 1）排气。模具零件入炉后必将引起炉温降低，同时带入大）排气。模具零件入炉后必将引起炉温降低，同时带入大量空气。排气阶段的作用在于恢复炉温到规定的渗碳温度，在此阶量空气。排气阶段的作用在于恢复炉温到规定的渗碳温度，在此阶段应尽快排除炉内空气。通常采取加大渗碳剂流量以使炉内氧化性段应尽快排除炉内空气。通常采取加大渗碳剂流量以使炉内氧化性气氛迅速减少。排气时间往往在仪表温度达到渗碳要求的温度后尚气氛迅速减少。排气时间往往在仪表温度达到渗碳要求的温度后尚需延长需延长303060min60min，以使炉气成分达到要求，以使炉气成分达到要求，5.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化下一页 返回上一页并使炉内温度均匀及工件烧透。排气不好会造成渗碳速度慢、并使炉内温度均匀及工件烧透。排气不好会造成渗碳速度慢、质量不合格等缺陷。质量不合格等缺陷。（2 2）强烈渗碳）强烈渗碳#排气阶段结束后即进入强烈渗碳阶段。其特点排气阶段结束后即进入强烈渗碳阶段。其特点是渗碳剂滴量较多或气氛较浓，使工件表面碳浓度高于最后要求是渗碳剂滴量较多或气氛较浓，使工件表面碳浓度高于最后要求!增增大表面的碳浓度梯度，以提高渗碳速度。强烈渗碳时间主要取决于大表面的碳浓度梯度，以提高渗碳速度。强烈渗碳时间主要取决于层深要求。层深要求。（3 3）扩散。渗碳进入扩散阶段是以减少渗碳剂滴量或浓度为标）扩散。渗碳进入扩散阶段是以减少渗碳剂滴量或浓度为标志的。此时炉气渗碳能力降低，表层过剩的碳继续向内部扩散，最志的。此时炉气渗碳能力降低，表层过剩的碳继续向内部扩散，最后达到要求的深度及合适的碳浓度分布。扩散阶段所需时间由中间后达到要求的深度及合适的碳浓度分布。扩散阶段所需时间由中间试棒的渗碳层深度确定。试棒的渗碳层深度确定。5.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化下一页 返回上一页（4 4）降温。对于可直接淬火的零件应随炉冷至适宜的淬火温度）降温。对于可直接淬火的零件应随炉冷至适宜的淬火温度并保温并保温151530min30min使零件内外温度均匀后出炉淬火；对于需重新加热使零件内外温度均匀后出炉淬火；对于需重新加热淬火的零件，可自渗碳温度出炉入缓冷罐。淬火的零件，可自渗碳温度出炉入缓冷罐。2 2）气体渗碳操作要点）气体渗碳操作要点为了保证渗碳质量，模具零件在进入渗碳炉前应清除表面污垢、为了保证渗碳质量，模具零件在进入渗碳炉前应清除表面污垢、铁锈及油脂等。常用热水或含铁锈及油脂等。常用热水或含Na2CONa2CO的水溶液作为清洗介质。对锈蚀的水溶液作为清洗介质。对锈蚀工件可采用喷砂清理。零件装在料筐或挂具上，彼此间应留出工件可采用喷砂清理。零件装在料筐或挂具上，彼此间应留出5 510mm10mm的间隙，以保证渗碳介质能与零件充分接触和循环流通，渗碳的间隙，以保证渗碳介质能与零件充分接触和循环流通，渗碳炉密封性要好，并始终保持炉内气压为正压力。风扇应始终逆转，炉密封性要好，并始终保持炉内气压为正压力。风扇应始终逆转，使零件能经常与新鲜气氛接触。排气口要点燃，使零件能经常与新鲜气氛接触。排气口要点燃，5.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化下一页 返回上一页以免废气污染空气，并便于判断炉内工作情况，有条件的应经以免废气污染空气，并便于判断炉内工作情况，有条件的应经常进行炉气分析。常进行炉气分析。3 3）渗碳零件淬火）渗碳零件淬火渗碳只能改变模具零件表面的化学成分，而零件表面的最终强渗碳只能改变模具零件表面的化学成分，而零件表面的最终强化则必须经过适当的热处理。通过热处理使零件的高碳表层获得细化则必须经过适当的热处理。通过热处理使零件的高碳表层获得细小的马氏体、适量的残留奥氏体和弥散分布的粒状碳化物；零件的小的马氏体、适量的残留奥氏体和弥散分布的粒状碳化物；零件的心部由低碳马氏体、托氏体、索氏体等组织组成。渗碳后可采用不心部由低碳马氏体、托氏体、索氏体等组织组成。渗碳后可采用不同的热处理方法：直接淬火、一次淬火、二次淬火等。同的热处理方法：直接淬火、一次淬火、二次淬火等。（1 1）直接淬火。直接淬火是指工件渗碳后随炉降温或出炉预冷）直接淬火。直接淬火是指工件渗碳后随炉降温或出炉预冷到高于到高于Ar1Ar1或或Ar3Ar3温度，然后直接淬火的方法，温度，然后直接淬火的方法，5.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化下一页 返回上一页淬火后在淬火后在150150200200回火回火2 23h3h。随炉降温或出炉预冷的目的是。随炉降温或出炉预冷的目的是为了减少淬火内应力，从而减小工件的变形。同时，还使高碳的奥为了减少淬火内应力，从而减小工件的变形。同时，还使高碳的奥氏体中析出一部分碳化物，降低奥氏体中的碳浓度，从而减少淬火氏体中析出一部分碳化物，降低奥氏体中的碳浓度，从而减少淬火后的残留奥氏体，获得较高的表面硬度。后的残留奥氏体，获得较高的表面硬度。直接淬火的优点是：减少加热和冷却的次数、简化操作、生产直接淬火的优点是：减少加热和冷却的次数、简化操作、生产效率高，还可减少淬火变形及表面氧化和脱碳倾向。直接淬火适用效率高，还可减少淬火变形及表面氧化和脱碳倾向。直接淬火适用于等本质细晶粒钢，不适用于本质粗晶粒钢及渗碳时表面碳浓度高于等本质细晶粒钢，不适用于本质粗晶粒钢及渗碳时表面碳浓度高的零件。的零件。（2 2）一次淬火。模具零件渗碳后立即出炉或降温到）一次淬火。模具零件渗碳后立即出炉或降温到860860880880出炉，在冷却坑内冷却至室温，然后再重新加热淬火。适用于本质出炉，在冷却坑内冷却至室温，然后再重新加热淬火。适用于本质粗晶粒钢零件，不适用于直接淬火零件。粗晶粒钢零件，不适用于直接淬火零件。5.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化下一页 返回上一页（3 3）二次淬火。对本质粗晶粒钢或使用性能要求很高的零件，）二次淬火。对本质粗晶粒钢或使用性能要求很高的零件，要采用二次淬火或一次正火加一次淬火，以保证模具零件心部和渗要采用二次淬火或一次正火加一次淬火，以保证模具零件心部和渗层都达到高的性能要求。第层都达到高的性能要求。第1 1次淬火温度碳钢为次淬火温度碳钢为880880900900，合金钢，合金钢为为850850870870，目的是细化心部组织，并消除表面网状碳化物。第，目的是细化心部组织，并消除表面网状碳化物。第2 2次淬火温度则根据高碳的表层来决定，一般选择在稍高于次淬火温度则根据高碳的表层来决定，一般选择在稍高于ACLACL的温度。的温度。二次淬火，有可能出现较大的淬火缺陷，工艺较复杂，生产周期长，二次淬火，有可能出现较大的淬火缺陷，工艺较复杂，生产周期长，故仅用于对表面层耐磨性、疲劳强度和心部韧性等要求较高的重载故仅用于对表面层耐磨性、疲劳强度和心部韧性等要求较高的重载荷零件。荷零件。5.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化下一页 返回上一页3.3.真空渗碳真空渗碳将被处理的模具工件在真空中加热到奥氏体化，并在渗碳气氛将被处理的模具工件在真空中加热到奥氏体化，并在渗碳气氛中渗碳中渗碳,然后扩散、淬火。由于渗碳前是在真空状态下加热，模具钢然后扩散、淬火。由于渗碳前是在真空状态下加热，模具钢的表面很干净，非常有利于碳原子的吸附和扩散。与气体渗碳相比，的表面很干净，非常有利于碳原子的吸附和扩散。与气体渗碳相比，真空渗碳的温度高，渗碳时间可明显缩短。真空渗碳的温度高，渗碳时间可明显缩短。4.CD4.CD渗碳渗碳CDCD渗碳法采用含有大量强碳化物形成元素的模具钢在渗碳气氛渗碳法采用含有大量强碳化物形成元素的模具钢在渗碳气氛中加热，在碳原子自表面向内部扩散的同时渗层中沉淀出大量弥散中加热，在碳原子自表面向内部扩散的同时渗层中沉淀出大量弥散合金碳化物，弥散碳化物含量达合金碳化物，弥散碳化物含量达50%50%以上，呈细小均匀分布，淬火、以上，呈细小均匀分布，淬火、回火后可获得很高的硬度和耐磨性。回火后可获得很高的硬度和耐磨性。5.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化下一页 返回上一页经经CDCD渗碳的模具心部没有像渗碳的模具心部没有像Cr12Cr12型模具钢和高速钢中出现粗大型模具钢和高速钢中出现粗大共晶碳化物和严重的碳化物偏析，因而其心部韧性比共晶碳化物和严重的碳化物偏析，因而其心部韧性比Cr12MoVCr12MoV钢提高钢提高3 35 5倍。实践表明，渗碳模具的使用寿命大大超过倍。实践表明，渗碳模具的使用寿命大大超过Cr12Cr12型冷作模具型冷作模具钢和高速钢。钢和高速钢。5.5.渗碳工艺渗碳工艺渗碳工艺应用于模具表面强化主要体现在两个方面。渗碳工艺应用于模具表面强化主要体现在两个方面。1 1）应用于低、中碳钢的渗碳）应用于低、中碳钢的渗碳塑料制品模具的形状复杂，表面粗糙度要求高，常用冷挤压反塑料制品模具的形状复杂，表面粗糙度要求高，常用冷挤压反印法来制造模具的型腔。因此，可采用含碳量较低、冷塑性变形性印法来制造模具的型腔。因此，可采用含碳量较低、冷塑性变形性能好的塑料模具钢，先将退火状态的模具钢冷挤压反印法成型，再能好的塑料模具钢，先将退火状态的模具钢冷挤压反印法成型，再进行渗碳或碳氮共渗处理。进行渗碳或碳氮共渗处理。5.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化下一页 返回上一页2 2）应用于部分热作模具及冷作模具）应用于部分热作模具及冷作模具可提高模具表面的硬度和使用寿命。例如，可提高模具表面的硬度和使用寿命。例如，3Cr2W8V3Cr2W8V钢热挤压模钢热挤压模具，先渗碳再经具，先渗碳再经1140114011501150淬火，淬火，550550回火回火2 2次，表面硬度可达次，表面硬度可达585861HRC61HRC，使热挤压有色金属及其合金模具的使用寿命提高，使热挤压有色金属及其合金模具的使用寿命提高1.81.83.03.0倍。倍。5.1.25.1.2模具零件的渗氮模具零件的渗氮渗氮是将模具零件置入含有活性氮原子的气氛中，加热到一定渗氮是将模具零件置入含有活性氮原子的气氛中，加热到一定温度，保温一定时间，使氮原子渗入工件表面形成氮化物的热处理温度，保温一定时间，使氮原子渗入工件表面形成氮化物的热处理工艺。渗氮的目的是提高工件的表面硬度、耐磨性、疲劳强度及耐工艺。渗氮的目的是提高工件的表面硬度、耐磨性、疲劳强度及耐蚀性能。蚀性能。5.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化下一页 返回上一页渗氮能使模具零件获得比渗碳更高的表面硬度、耐磨性能、疲渗氮能使模具零件获得比渗碳更高的表面硬度、耐磨性能、疲劳性能和热硬性。渗氮也可以提高工件的抗腐蚀性能。因为模具在劳性能和热硬性。渗氮也可以提高工件的抗腐蚀性能。因为模具在渗氮前一般要进行调质处理，为不影响模具的整体性能，渗氮温度渗氮前一般要进行调质处理，为不影响模具的整体性能，渗氮温度一般不超过调质处理的回火温度，一般为一般不超过调质处理的回火温度，一般为500500570570，渗氮后模具，渗氮后模具零件变形较小。零件变形较小。渗氮方法分为气体渗氮、液体渗氮、固体渗氮、离子渗氮等。渗氮方法分为气体渗氮、液体渗氮、固体渗氮、离子渗氮等。常规气体渗氮周期长、生产率低、费用高、对材料要求严格，因而常规气体渗氮周期长、生产率低、费用高、对材料要求严格，因而使其在应用上受到一定的限制；液体渗氮温度低、时间短、模具变使其在应用上受到一定的限制；液体渗氮温度低、时间短、模具变形小，但盐浴或盐浴反应产物有一定毒性，要考虑盐浴的危害及防形小，但盐浴或盐浴反应产物有一定毒性，要考虑盐浴的危害及防止措施。止措施。5.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化下一页 返回上一页为了使渗氮有较好的效果，模具必须选择含有为了使渗氮有较好的效果，模具必须选择含有AlAl、CrCr和和MoMo元素元素的钢种，以便渗氮后形成的钢种，以便渗氮后形成AINAIN、CrNCrN和和Mo2NMo2N没有这些元素则渗氮层硬没有这些元素则渗氮层硬度低，不足以提高模具的耐磨性。度低，不足以提高模具的耐磨性。渗氮一般是模具在整个制造过程中的最后一道工序，处理后只渗氮一般是模具在整个制造过程中的最后一道工序，处理后只需少量的精磨或研磨加工。渗氮前一般要求先进行调质处理，以获需少量的精磨或研磨加工。渗氮前一般要求先进行调质处理，以获得回火索氏体组织。渗氮层具有优良的耐磨性，对冷、热模具都适得回火索氏体组织。渗氮层具有优良的耐磨性，对冷、热模具都适用。用。一般渗氮气体采用脱水氨气。下面简要介绍气体渗氮和离子渗一般渗氮气体采用脱水氨气。下面简要介绍气体渗氮和离子渗氮这两种方法。氮这两种方法。5.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化下一页 返回上一页1.1.气体渗氮气体渗氮通常在井式炉内进行，方法是把已除油净化的工件放在密封的通常在井式炉内进行，方法是把已除油净化的工件放在密封的炉内加热炉内加热!并通入氨气。氨气在并通入氨气。氨气在380380以上就能分解出活性氮原子，以上就能分解出活性氮原子，活性氮原子被钢表面吸收，形成固溶体和氮化物，氮原子逐渐向里活性氮原子被钢表面吸收，形成固溶体和氮化物，氮原子逐渐向里扩散，从而获得一定深度的渗氮层。常用的气体渗氮温度为扩散，从而获得一定深度的渗氮层。常用的气体渗氮温度为550550570570渗氮时间取决于所需的渗氮层深度。一般渗氮层深度为渗氮时间取决于所需的渗氮层深度。一般渗氮层深度为0.40.40.6mm0.6mm渗氮时间渗氮时间404070h70h，因此气体渗氮的生产周期很长。，因此气体渗氮的生产周期很长。1 1）渗氮前的准备）渗氮前的准备在渗氮工件的整个制造过程中，渗氮往往是最后一道工序。为在渗氮工件的整个制造过程中，渗氮往往是最后一道工序。为使工件心部具有必要的性能，消除加工应力，使工件心部具有必要的性能，消除加工应力，5.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化下一页 返回上一页减小渗氮过程的变形，以及为获得最好的渗氮层性能作组织准减小渗氮过程的变形，以及为获得最好的渗氮层性能作组织准备，模具在渗氮前一般都需要进行预备热处理，即进行调质处理，备，模具在渗氮前一般都需要进行预备热处理，即进行调质处理，以获得回火索氏体组织。由于热作模具钢的渗氮仅是提高表面耐磨以获得回火索氏体组织。由于热作模具钢的渗氮仅是提高表面耐磨性，为了不影响模具的整体性能，渗氮温度一般不超过调质处理的性，为了不影响模具的整体性能，渗氮温度一般不超过调质处理的回火温度，一般为回火温度，一般为500500570570。对形状复杂的精密模具，在机械加工后应进行对形状复杂的精密模具，在机械加工后应进行1 12 2次消除应力次消除应力处理以减少渗氮过程中的变形。处理温度应低于回火温度，以免降处理以减少渗氮过程中的变形。处理温度应低于回火温度，以免降低模具硬度。脱碳层将导致渗氮后脆性增加及硬度不足等缺陷，为低模具硬度。脱碳层将导致渗氮后脆性增加及硬度不足等缺陷，为此模具在预备热处理前应有足够的加工余量，以保证机械加工时将此模具在预备热处理前应有足够的加工余量，以保证机械加工时将脱碳层全部去除。脱碳层全部去除。5.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化下一页 返回上一页为使渗氮过程顺利进行，模具在装炉前要用汽油或酒精等去油、为使渗氮过程顺利进行，模具在装炉前要用汽油或酒精等去油、脱脂，经过清洗后表面不能有锈蚀及脏物。如果模具某些部位不需脱脂，经过清洗后表面不能有锈蚀及脏物。如果模具某些部位不需渗氮，可用涂料方法防渗。渗氮，可用涂料方法防渗。为了检查渗氮质量可在渗氮罐的适当部位放置与模具同材质，为了检查渗氮质量可在渗氮罐的适当部位放置与模具同材质，并经过预备热处理的试样。便于检查渗氮层深度、表面硬度和金相并经过预备热处理的试样。便于检查渗氮层深度、表面硬度和金相组织。组织。2 2）渗氮介质及设备）渗氮介质及设备渗氮用氨气采用工业合成液氨。渗氮可在密封的箱式或井式炉渗氮用氨气采用工业合成液氨。渗氮可在密封的箱式或井式炉中进行。氨气由液氨瓶经过流量计、干燥箱进入渗氮罐。渗氮罐要中进行。氨气由液氨瓶经过流量计、干燥箱进入渗氮罐。渗氮罐要求密封，渗氮罐内温度及气流应尽可能均匀。求密封，渗氮罐内温度及气流应尽可能均匀。5.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化下一页 返回上一页用氨气分解率测定计测量废气中氮和氢的体积与废气总体积之用氨气分解率测定计测量废气中氮和氢的体积与废气总体积之比，用以表示氨分解的程度。比，用以表示氨分解的程度。3 3）渗氮工艺参数）渗氮工艺参数渗氮温度一般在渗氮温度一般在500500570570，渗氮时间根据模具渗氮层深度的，渗氮时间根据模具渗氮层深度的要求确定。根据经验，渗氮温度为要求确定。根据经验，渗氮温度为510510时，渗层深度时，渗层深度0.4mm0.4mm，38CrMoAl38CrMoAl钢的渗氮速率为钢的渗氮速率为0.010.010.015mm/h0.015mm/h。从生产实践中不难看出，。从生产实践中不难看出，温度对渗氮层表面硬度及层深的影响显著。温度越低，渗氮层表面温度对渗氮层表面硬度及层深的影响显著。温度越低，渗氮层表面硬度越高，渗层越浅，变形量越小；反之温度越高，渗氮层硬度降硬度越高，渗层越浅，变形量越小；反之温度越高，渗氮层硬度降低，层深增加，变形量增大。同时渗氮后的硬度不仅取决于温度，低，层深增加，变形量增大。同时渗氮后的硬度不仅取决于温度，还与氨的分解率有关。还与氨的分解率有关。5.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化下一页 返回上一页渗氮时间取决于所要求的渗氮深度及渗氮温度。由于渗氮是在渗氮时间取决于所要求的渗氮深度及渗氮温度。由于渗氮是在较低温度下进行的，渗氮速率很低。与渗碳相比，渗氮层深度浅，较低温度下进行的，渗氮速率很低。与渗碳相比，渗氮层深度浅，过深的渗氮层深度需要更长时间的渗氮。过深的渗氮层深度需要更长时间的渗氮。4 4）热处理生产中常用的）热处理生产中常用的3 3种渗氮方法种渗氮方法（1 1）一段渗氮法，又称等温渗氮法。在渗氮过程中渗氮温度和）一段渗氮法，又称等温渗氮法。在渗氮过程中渗氮温度和氨分解率保持不变，渗氮温度一般为氨分解率保持不变，渗氮温度一般为450450530530。适用于要求高硬。适用于要求高硬度、低变形的浅层渗氮，渗层含氮量分布变化明显。度、低变形的浅层渗氮，渗层含氮量分布变化明显。（2 2）二段渗氮法，第）二段渗氮法，第1 1阶段采用较低的渗氮温度和较低的氨分阶段采用较低的渗氮温度和较低的氨分解率，使工件表层先形成弥散度高的高硬度合金氮化物层；第解率，使工件表层先形成弥散度高的高硬度合金氮化物层；第2 2阶段阶段再稍稍提高渗氮温度和氨分解率，使氮的扩散速度加快，再稍稍提高渗氮温度和氨分解率，使氮的扩散速度加快，5.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化下一页 返回上一页以便缩短渗氮时间。二段渗氮法处理的工件变形稍大，硬度梯以便缩短渗氮时间。二段渗氮法处理的工件变形稍大，硬度梯度较平缓，但渗速较快、生产周期较短。度较平缓，但渗速较快、生产周期较短。（3 3）三段渗氮法是在二段渗氮法的基础上再增加一个低温阶段，）三段渗氮法是在二段渗氮法的基础上再增加一个低温阶段，可以适当提高氨分解率以减少模具表层的高氮脆性或者采取与第，可以适当提高氨分解率以减少模具表层的高氮脆性或者采取与第，阶段相同的氨分解率以补充模具表面氮含量的消耗。为了减小渗氮阶段相同的氨分解率以补充模具表面氮含量的消耗。为了减小渗氮层的脆性，在渗氮结束前层的脆性，在渗氮结束前2 23h3h应进行退氮处理，即将氨分解率提高应进行退氮处理，即将氨分解率提高至至90%90%以上。以上。2.2.离子渗氮离子渗氮离子渗氮是在离子渗氮炉中进行的。在一定的真空度下利用工离子渗氮是在离子渗氮炉中进行的。在一定的真空度下利用工件和阳极间产生的辉光放电现象进行的，所以又称辉光离子渗氮。件和阳极间产生的辉光放电现象进行的，所以又称辉光离子渗氮。5.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化下一页 返回上一页将工件置于离子渗氮炉中的托盘上，以工件为阴极，以炉壁为将工件置于离子渗氮炉中的托盘上，以工件为阴极，以炉壁为阳极，通入阳极，通入400400750V750V的直流电，氨气被电离成氮和氢的正离子及电的直流电，氨气被电离成氮和氢的正离子及电子，这时工件表面形成一层辉光。具有高能量的氮离子以很大速度子，这时工件表面形成一层辉光。具有高能量的氮离子以很大速度轰击工件表面。将动能转变为热能，使工件表面温度升高到轰击工件表面。将动能转变为热能，使工件表面温度升高到450450650650；同时氮离子在阴极上获得电子后，还原成氮原子而渗入工件；同时氮离子在阴极上获得电子后，还原成氮原子而渗入工件表面，并向内扩散形成渗氮层。离子渗氮的主要工艺参数有：表面，并向内扩散形成渗氮层。离子渗氮的主要工艺参数有：（1 1）真空度一般为）真空度一般为1.331.3313.3Pa13.3Pa。（2 2）气体压力常用为）气体压力常用为266266798Pa798Pa。（3 3）电流密度为）电流密度为0.50.55Ma/cm5Ma/cm2 25.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化下一页 返回上一页（4 4）辉光电压：加热电压为）辉光电压：加热电压为550550750V750V，保温阶段电压应适当，保温阶段电压应适当比加热电压略低，通常为比加热电压略低，通常为550550650V650V，形状简单时取，形状简单时取650V650V，形状复杂，形状复杂时取时取550V550V。（5 5）渗氮温度：一般取）渗氮温度：一般取450450600600，但即使在，但即使在400400以下也能以下也能进行渗氮处理。进行渗氮处理。（6 6）极间距离：一般以）极间距离：一般以303070mm70mm较为合适。较为合适。（7 7）渗氮时间：根据渗氮模具材料、渗氮层厚度和硬度选择合）渗氮时间：根据渗氮模具材料、渗氮层厚度和硬度选择合适时间。适时间。离子渗氮速度快渗层韧性最好、模具变形小，是目前比较普及离子渗氮速度快渗层韧性最好、模具变形小，是目前比较普及的一种渗氮工艺。离子渗氮广泛用于处理热锻模、冷挤压模、压铸的一种渗氮工艺。离子渗氮广泛用于处理热锻模、冷挤压模、压铸模、冷冲模等。模具使用寿命大大提高。模、冷冲模等。模具使用寿命大大提高。5.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化下一页 返回上一页5.1.3 5.1.3 碳氮共渗与氮碳共渗碳氮共渗与氮碳共渗模具钢的碳氮共渗是在钢件表层同时渗入碳、氮的热处理过程。模具钢的碳氮共渗是在钢件表层同时渗入碳、氮的热处理过程。但碳氮共渗是以渗碳为主，而氮碳共渗是以渗氮为主。与单一渗碳但碳氮共渗是以渗碳为主，而氮碳共渗是以渗氮为主。与单一渗碳相比，碳氮共渗有许多优点，主要是提高了模具工件的表面硬度、相比，碳氮共渗有许多优点，主要是提高了模具工件的表面硬度、耐磨性和疲劳极限；并且由于碳氮共渗温度较渗碳温度低、因而渗耐磨性和疲劳极限；并且由于碳氮共渗温度较渗碳温度低、因而渗碳过程中奥氏体晶粒较细小，共渗后一般可直接淬火。其碳氮共渗碳过程中奥氏体晶粒较细小，共渗后一般可直接淬火。其碳氮共渗简化了生产工序，节约能源并减少了模具的变形。简化了生产工序，节约能源并减少了模具的变形。碳氮共渗根据使用介质物理状况的不同，可以分为气体碳氮共碳氮共渗根据使用介质物理状况的不同，可以分为气体碳氮共渗、液体碳氮共渗、固体碳氮共渗渗、液体碳氮共渗、固体碳氮共渗3 3类；根据共渗温度的不同，又可类；根据共渗温度的不同，又可分为低温、中温和高温分为低温、中温和高温3 3种。种。5.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化下一页 返回上一页其中低温碳氮共渗即目前广泛应用的软氮化法其表层主要以渗氮其中低温碳氮共渗即目前广泛应用的软氮化法其表层主要以渗氮为主，用以提高模具零件的表面耐磨性和抗咬合性。中温碳氮共渗，为主，用以提高模具零件的表面耐磨性和抗咬合性。中温碳氮共渗，其目的与渗碳相似，主要是提高模具零件的表面硬度，与渗碳相比，其目的与渗碳相似，主要是提高模具零件的表面硬度，与渗碳相比，将使零件具有更好的耐磨性和抗疲劳性能。高温碳氮共渗，以渗碳为将使零件具有更好的耐磨性和抗疲劳性能。高温碳氮共渗，以渗碳为主。中温气体碳氮共渗和低温碳氮共渗在我国热处理厂家中应用较广。主。中温气体碳氮共渗和低温碳氮共渗在我国热处理厂家中应用较广。1.1.气体碳氮共渗气体碳氮共渗生产中应用较广的是中温气体碳氮共渗，其共渗的介质是渗碳和生产中应用较广的是中温气体碳氮共渗，其共渗的介质是渗碳和渗氮用的混合气体。生产中最常用的方法是在井式气体渗碳炉中滴入渗氮用的混合气体。生产中最常用的方法是在井式气体渗碳炉中滴入煤油，使其热分解出渗碳气体，同时向炉中通入渗氮用的氨气。煤油，使其热分解出渗碳气体，同时向炉中通入渗氮用的氨气。5.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化下一页 返回上一页在共渗温度下，煤气与氨气除了单独进行渗碳和渗氮作用外，在共渗温度下，煤气与氨气除了单独进行渗碳和渗氮作用外，它们相互之间还可以发生化学反应产生活性碳、氮原子。此外，有它们相互之间还可以发生化学反应产生活性碳、氮原子。此外，有的工厂采用渗碳富化气的工厂采用渗碳富化气 氨、三乙醇胺、丙酮甲醇尿素等作为氨、三乙醇胺、丙酮甲醇尿素等作为共渗剂。共渗剂。气体碳氮共渗所用的钢种大多为低碳或中碳的碳钢及合金钢，气体碳氮共渗所用的钢种大多为低碳或中碳的碳钢及合金钢，中温共渗温度常采用中温共渗温度常采用820820870870。气体碳氮共渗的碳、氮含量主要。气体碳氮共渗的碳、氮含量主要取决于共渗温度。共渗温度越高，共渗层的含碳量越高，含氮量越取决于共渗温度。共渗温度越高，共渗层的含碳量越高，含氮量越低；反之，共渗温度越低，共渗层的含碳量越低，含氮量越高。低；反之，共渗温度越低，共渗层的含碳量越低，含氮量越高。气体碳氮共渗的主要特点是：气体碳氮共渗的主要特点是：5.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化下一页 返回上一页（1 1）气体碳氮共渗的力学性能综合了渗碳和渗氮的优点。与渗）气体碳氮共渗的力学性能综合了渗碳和渗氮的优点。与渗碳相比表面硬度高、耐磨性好，同时还具有一定的抗蚀性，由于共碳相比表面硬度高、耐磨性好，同时还具有一定的抗蚀性，由于共渗层存在残余压应力而提高了钢的疲劳极限；与渗氮相比，共渗层渗层存在残余压应力而提高了钢的疲劳极限；与渗氮相比，共渗层深度深，表面脆性小。深度深，表面脆性小。（2 2）由于氮的渗入提高了渗层的淬透性，共渗后可用比渗碳温）由于氮的渗入提高了渗层的淬透性，共渗后可用比渗碳温度低及较缓冷速介质淬火度低及较缓冷速介质淬火,减少了模具的变形，由于奥氏体晶粒比渗减少了模具的变形，由于奥氏体晶粒比渗碳细，提高了模具钢的心部韧性。碳细，提高了模具钢的心部韧性。（3 3）气体碳氮共渗速度大于单独渗碳或单独渗氮的速度，缩短）气体碳氮共渗速度大于单独渗碳或单独渗氮的速度，缩短了生产周期。碳氮共渗适用于基体具有良好韧性，而表面硬度高、了生产周期。碳氮共渗适用于基体具有良好韧性，而表面硬度高、耐磨性好的模具零件，如塑料模及冲裁模中的凸模及凹模等零件。耐磨性好的模具零件，如塑料模及冲裁模中的凸模及凹模等零件。5.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化下一页 返回上一页2.2.氮碳共渗氮碳共渗生产上把以渗氮为主的气体氮碳共渗工艺称为气体软氮化。常生产上把以渗氮为主的气体氮碳共渗工艺称为气体软氮化。常用的共渗介质有氨加醇类液体以及尿素、甲酰胺和三乙醇胺等，它用的共渗介质有氨加醇类液体以及尿素、甲酰胺和三乙醇胺等，它们在一定温度下会发生热分解反应，产生活性氮、碳原子。活性氮、们在一定温度下会发生热分解反应，产生活性氮、碳原子。活性氮、碳原子被工件表面吸收，通过扩散渗入工件表层，从而获得以氮为碳原子被工件表面吸收，通过扩散渗入工件表层，从而获得以氮为主的氮碳共渗层。气体氮碳共渗的常用温度为主的氮碳共渗层。气体氮碳共渗的常用温度为560560570570，共渗时，共渗时间为间为2 25h5h。氮碳共渗不但赋予工件耐磨损、耐疲劳、抗咬合和擦伤的性能，氮碳共渗不但赋予工件耐磨损、耐疲劳、抗咬合和擦伤的性能，而且处理时间短、温度低、变形小、不受钢种限制，适用于碳素钢、而且处理时间短、温度低、变形小、不受钢种限制，适用于碳素钢、合金钢、铸铁及粉末冶金等材料，可以对模具、量具、刃具以及耐合金钢、铸铁及粉末冶金等材料，可以对模具、量具、刃具以及耐磨零件进行处理，并获得良好的效果。磨零件进行处理，并获得良好的效果。5.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化下一页 返回上一页气体软氮化的工艺参数是软氮化温度和时间以及渗入介质的活气体软氮化的工艺参数是软氮化温度和时间以及渗入介质的活性和加入量，这些参数同样根据模具的技术要求来选择。软氮化的性和加入量，这些参数同样根据模具的技术要求来选择。软氮化的温度通常为温度通常为530530580580，在，在570570左右，氮在左右，氮在相中具有最大溶解度。相中具有最大溶解度。对于如高速钢和高铬模具钢，为保持工件整体的强度和热硬性，软对于如高速钢和高铬模具钢，为保持工件整体的强度和热硬性，软氮化温度不能超过其回火温度。软氮化时间在氮化温度不能超过其回火温度。软氮化时间在1 16h6h范围内。范围内。软氮化后的工件一般采用快冷。快冷不仅使渗氮件表面色泽好，软氮化后的工件一般采用快冷。快冷不仅使渗氮件表面色泽好，而且能进一步提高零件的疲劳强度。对变形要求小的工件，软氮化而且能进一步提高零件的疲劳强度。对变形要求小的工件，软氮化后应当缓冷。目前，热处理厂气体软氮化的介质主要是：后应当缓冷。目前，热处理厂气体软氮化的介质主要是：50%50%氨气氨气50%50%吸热型气体。吸热型气体。5.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化下一页 返回上一页5.1.4 5.1.4 渗硫及硫氮共渗渗硫及硫氮共渗1.1.渗硫渗硫模具渗硫具有摩擦因数小、耐磨性好、抗咬合性高、抗擦伤力模具渗硫具有摩擦因数小、耐磨性好、抗咬合性高、抗擦伤力强等特点。渗硫方法可按介质的物理状态分为熔盐渗硫和气体渗硫，强等特点。渗硫方法可按介质的物理状态分为熔盐渗硫和气体渗硫，目前在生产中应用最多的是低温盐浴电解渗硫。模具淬火后经低温目前在生产中应用最多的是低温盐浴电解渗硫。模具淬火后经低温盐浴电解渗硫后仍能保持高硬度，模具变形较小。盐浴电解渗硫后仍能保持高硬度，模具变形较小。2.2.硫氮共渗硫氮共渗硫氮共渗是提高模具钢、高速钢、结构钢零件表面耐磨性的一硫氮共渗是提高模具钢、高速钢、结构钢零件表面耐磨性的一种低温化学热处理工艺，低温硫氮共渗在渗氮炉内进行，渗剂为氨种低温化学热处理工艺，低温硫氮共渗在渗氮炉内进行，渗剂为氨和硫化氢，共渗温度和硫化氢，共渗温度540540560560，5.15.1模具表面化学热处理强化模具表面化学热处理强化下一页 返回上一页共渗时间为共渗时间为1 13h3h，此工艺在模具
