1．引言
模具在工作中除了要求基体具有足够高的强度和韧性的合理配合外，其表面性能对模具的工作性能和使用寿命至关重要。这些表面性能指：耐磨损性能、耐腐蚀性能、摩擦系数、疲劳性能等。这些性能的改善，单纯依赖基体材料的改进和提高是非常有限的，也是不经济的，而通过表面处理技术，往往可以收到事半功倍的效果。
渗氮，作为化学热处理技术较为成熟的一种，是指在一定温度下将活性氮原子渗入模具表面的热处理工艺。渗氮后模具的变形小，具有比传统的热处理工艺（淬火）更高的硬度，可以增加其耐磨性、疲劳强度、抗咬合性、抗腐蚀性及抗高温软化性等。
渗氮工艺有以下特点
1）氮化物层形成温度低，一般为480-580℃，由于扩散速度慢，所以工艺时间长。
2）氮化处理温度低，变形很小
3）渗氮工件不需要再进行热处理，便具有较高的表面硬度
2．试验内容
2.1 气体渗氮工艺参数
渗氮温度、渗氮时间和氨分解率是气体渗氮三个重要的工艺参数。它们对渗氮速度、渗层深度、渗层硬度、硬度梯度以及脆性都有极大影响。
渗氮温度的提高会促进氮原子的扩散，所以渗层深度会随温度的增加而加深，渗层硬度会下降，这是因为产生高硬度的细小氮化物会随温度的升高而长大的缘故。在480~530℃渗氮时，渗层可获得很高的硬度。
随时间的延长，渗层深度加深，但由于氮化物的集聚长大会使渗层硬度下降，尤其温度高则更为明显。
氨分解率会影响钢件表面的吸氮能力，对渗层深度和硬度也有影响。当氨分解率低时(10%~40%)，分解出的活性氮原子多被钢件表面吸收。当分解率超过70%时，由于气氛中大量的氢和氮的分子滞留在工件表面，阻碍了氮原子的吸收，因而使吸氮量下降。
针对影响氮化效果的因素，分以下5个试样作试验对比
为了与实际生产应用贴近，本次试验检测重点为渗氮层硬度与金相观察，氨分解率与加热温度、氨气的流量有关，为方便试验，本次选取30-40%范围内进行。
3．试验数据及分析试样氮化层腐蚀图片（100x）
图一 试样1（180μm）
图二 试样2（170μm）
图三 试样3（120μm）
图四 试样4 （175μm）
图五 试样5 （300μm）
图六 试样5扩散层氮化物（500x）
表2 渗氮层硬度对比
表3 渗氮白亮层对比
渗氮层深度受渗氮温度、渗氮时间的影响比较明显。在540-550℃区间，相同的渗氮时间下，渗氮温度的温差带来的渗层厚度变化并不明显。但在520-540℃区间，渗层变化就较为明显了。
对比前4个试样，可见渗氮温度下调的同时延长渗氮时间，同样可以获得较深的氮化层。延长氮化时间至20h，渗氮层的厚度加深明显；但通过金相观察发现，氮化的化合层（白亮层）已明显增厚，扩散层氮化物组织变粗，这些因素会导致氮化钢表层脆性的加大，降低了氮化钢的使用寿命。
对比5个试样的渗氮层硬度变化，发现最外层硬度差别不大，可能是渗氮温度和氨分解率较为相近所致。而硬度梯度变化基本与金相观察所得的结果相联系，近似为渗氮层越厚，硬度梯度变化越缓慢。
图七 硬度梯度变化示意图（100x）
图八 腐蚀图片对比（100x）
图七、八为试样1腐蚀前和腐蚀后的硬度压痕对比图，硬度法检测渗氮层深度要求为从试样表面测至比基体维氏硬度值高50Hv处的垂直距离为渗氮层深度[1]。由表层至内部，第5个点处于腐蚀后的黑白交界处，测得的数值也基本符合大于基体50Hv的要求。可见硬度法与金相检测基本吻合。
图九 偏析带硬度对比（100x）
图十 氮化层的偏析（500x）
部分试样试验过程中发现存在带状偏析。H13钢的带状组织实质上是由于合金元素沿锻轧方向的偏析所引起。通常钢液在冷却凝固过程中以树枝晶的方式长大，在不同时期凝固的晶内和枝晶间的化学成分不均匀，存在合金元素偏析。铸锭经过锻轧后，合金元素的偏析表现为沿锻轧方向分布。碳元素分布越不均匀，带状组织越严重[2]。对退火状态的H13钢偏析带的富碳区和富铁区进行硬度检测，测得的硬度分别为242Hv和189Hv，对氮化层偏析带进行硬度检测，同样存在有约50Hv的差异。常规热处理（退火-淬火-回火）无法显著改善元素的不均匀分布状况，不能消除带状偏析，而且带状偏析还可能会遗传到后面的氮化组织。硬度和成分的不均匀性直接影响了钢的冲击韧性，还影响抗拉强度等一系列重要性能[3]。
4.结论
通过对比不同工艺参数的氮化钢样件，找出影响氮化效果的主要因素，并根据实际生产状况相对应地调整工艺，以获取最好的经济效益。
1.氮化温度和氮化时间均能明显影响氮化层的深度。对于某一相近的氮化层深度，在一定的温度范围内，可通过提高氮化温度来缩短氮化时间，以减少氮化工件的生产周期，提高生产效率。
2.渗氮温度和渗氮时间对H13钢的白亮层厚度影响并不明显，对其表层硬度影响也不明显，但对于其渗氮扩散层的硬度梯度影响较大，与金相观察所得的厚度相对应。
3.H13钢的带状偏析会遗传到后面的氮化工序，同时影响到钢的使用性能。在退火工序前消除或减轻H13钢的的带状偏析显得意义重大。
