氮化是钢件表面改性强化处理的工艺方法之一。当代辉光离子氮化、双程氮化、三段氮化和预氧化双程氮化及催渗氮化等方法发展了传统氮化工艺,使氮化质量达到了新水平。
将氮化介质氨气通入氮化炉中,加热至500～6000℃发生热分解:2NH3≒2[N]+3H2。分解活性[N]原子被钢件表面吸收,并向金属内部扩散,首先溶解在α-Fe中形成固溶体,饱和后逐渐形成氮化物层。渗氮层具有高硬度、高耐磨、高抗疲劳强度和较高抗蚀性及热处理畸变小等特点,广泛应用于模具制造业。模具经氮化处理后,可成倍、甚至数倍提高模具使用寿命。但在实际生产中,因种种原因会产生各种各样的氮化缺陷,本文分析了其产生原因,并提出了相应的消除措施。
传统的合金钢料中之铝、铬、钒及钼元素对渗氮甚有帮助。这些元素在渗氮温度中，与初生态的氮原子接触时，就生成安定的氮化物。尤其是钼元素，不仅作为生成氮化物元素，亦作为降低在渗氮温度时所发生的脆性。其他合金钢中的元素，如镍、铜、硅、锰等，对渗氮特性并无多大的帮助。一般而言，如果钢料中含有一种或多种的氮化物生成元素，氮化后的效果比较良好。其中铝是最强的氮化物元素，含有0.85～1.5%铝的渗氮结果最佳。在含铬的铬钢而言，如果有足够的含量，亦可得到很好的效果。
模具氮化处理现场
传统的合金钢料中之铝、铬、钒及钼元素对渗氮甚有帮助。这些元素在渗氮温度中，与初生态的氮原子接触时，就生成安定的氮化物。尤其是钼元素，不仅作为生成氮化物元素，亦作为降低在渗氮温度时所发生的脆性。其他合金钢中的元素，如镍、铜、硅、锰等，对渗氮特性并无多大的帮助。一般而言，如果钢料中含有一种或多种的氮化物生成元素，氮化后的效果比较良好。其中铝是最强的氮化物元素，含有0.85～1.5%铝的渗氮结果最佳。在含铬的铬钢而言，如果有足够的含量，亦可得到很好的效果。
模具氮化处理现场
1渗氮层硬度过低
原因———氮化钢化学成分不符或混料;钢件未经调质预处理,未获得氮化前所需细密的回火索氏体组织,或虽经调质预处理,但基体组织硬度低,渗氮硬化层如附在薄冰上;控温仪表失灵,导致氮化温度过高和氮化强渗期NH3分解率偏高,炉内氮气氛过低或氮化箱内氨气含水过量,对NH3分解起“一触媒”作用。生产实践表明,当NH3分解率≥65%～70%时,介质中氢气含量增加,会阻碍工件表面氮化物形核,降低工件表面吸氮能力,钢件表层含氮量低,渗氮件表面有油污、氧化皮和脱碳层未去除,或使用新的渗氮罐及渗氮罐久用未经退氮;渗氮炉密封不严、漏气等,都会造成氮化层硬度过低。
措施———严格检查渗氮钢材,投产前对渗氮钢进行化学成分复查,合格后再投产;氮化前必须对钢件进行调质预处理,以获得均匀细密的回火索氏体组织和所需硬度,调质回火温度应略高于渗氮温度,确保渗氮后钢基体硬度不降低;选用WJ21型微机控温仪,控温精度在±1.5℃以内,确保渗氮温度准确无误。渗氮前工件喷细砂处理,去除氧化皮、脱碳层和污物,并检查渗氮炉密封性,发现漏气及时修理或更换;选用搪瓷罐,对不锈钢罐应先空罐氮化后启用,对久用氮化罐及工夹具要退氮后再用;氮化过程中要缓慢升温加热,适当加大NH3流量,降低NH3分解率使之≤50%。返修时清理干净渗氮工件表面后,修订氮化工艺,补渗氮一次,以达到技术要求。
2渗氮层浅
原因———渗氮炉有效加热区温差大,且不均匀;钢件表面有油污,渗氮件装炉不当;钢件之间过密,甚至层叠,使进气管道堵塞,气流不畅;第一阶段强渗期,NH3分解率不稳定,有时过高,有时过低;第二阶段扩散温度过低、保温时间不足等因素都会造成渗氮层浅,且不均匀。
措施———疏通管道阀门,稳定控制NH3分解率在20%～40%之间,使之产生的活性[N]原子基本上与钢件表面吸[N]量及[N]的扩散量平衡;精密控温,有效加热区温差不大于±1.5℃和延长扩散时间;渗氮件合理装挂,保证工件间氨气均匀畅通,渗氮炉应严格密封,确保炉内氮气氛循环正常;采用催渗氮化,渗剂中加入适量NH4Cl和RE(稀土)元素等催渗剂,选用镀Ti氮化,钢件表面先镀Ti,因Ti与N亲和力强,形成Ti在Fe中固溶体,迅速形成均匀氮化层。生产实践表明,新工艺与传统工艺比,能迅速生成厚且均匀的氮化层,渗层深度增加25%～40%,生产周期缩短近一半,节电40%～50%。
返修处理,用汽油或酒精清理干净渗氮表面,严格按原第二阶段扩散工艺补渗氮一次以达到质量指标。
3渗氮层硬度不均,有软点
原因———原材料化学成分不均匀,偏析严重,晶粒粗大(≤7级),奥氏体呈长条状;钢中铁素体呈大块状和杂质含量超标,导致淬火组织粗大和块状铁素体未溶解及调质回火温度过高;原材料脱碳层未加工和钢件表面污物未除净;炉内温度不均匀,钢件装挂不当,间距小,相互接触,气管堵塞氨气不畅;局部渗氮钢件镀锡层过厚或结合不牢。风扇转速太快、震动大造成流锡等,上述原因会导致渗氮面产生亮块、亮点、硬度等不均,由于性能不稳定,软点处硬度低,先造成磨损,形成沟槽而致使模具失效。
措施———选用炉外精炼钢、电渣重熔钢、真空熔炼钢,这些材料具有纯洁度高、杂质少、晶粒细、碳化物小、化学成分和组织均匀、等向性能好等特点;采用精密仪表控温,分段控温,合理布局电阻丝,确保炉膛各部位温度均匀一致;留足冷切削加工余量去除脱碳层;合理装挂,使钢件之间留空隙,确保氨气循环均匀畅通;钢件调质淬火加热在真空电炉、保护气氛炉或盐浴炉中进行,防止氧化脱碳;严格控制镀锡层厚度,以0.010～0.015mm为宜;降低风扇转速,避免较大震动。返修时清理干净渗氮层表面后,重新制订渗氮工艺补渗氮一次达到质量指标。
4氮化钢件畸变
原因———钢件设计不合理,较多尖角锐边,厚薄悬殊过大;氮化前钢件存在较大组织应力和机械冷加工应力未消除;渗氮炉内温度不均匀,加热升温速度过快,钢件出炉时冷却速度大;钢件装挂不合理与渗氮面不对称;渗氮层比容较大,产生组织应力与渗氮层厚度成正比,渗氮层愈厚,产生组织应力与比容愈大。
钢件在上述多种应力作用下易发生畸变,微量畸变可通过最后磨削加工去除,而超差畸变则影响装配和使用寿命,甚至成为废品,因此必须把畸变控制在公差范围内。
措施———改进设计,增加工艺孔和加强筋,用圆角代替尖角锐边,减少应力集中,并尽量使钢件对称,避免厚薄悬殊过大;氮化前在稍低于调质回火温度下回火1～2h,消除冷加工应力;合理装挂钢件,确保氨气循环畅通,不氮化易畸变部位留加工余量,以便氮化后去除畸变部位;钢件低温入炉,缓慢升温,升温速度以50～70℃/h为宜,冷却时随炉降温至≤200℃出炉空冷,降低热应力与组织应力;选择适合渗氮方法,制订合理渗氮工艺,对易畸变复杂钢件选用辉光离子氮化等措施,确保氮化钢件畸变在公差范围内或无畸变。返修时应使易校正的畸变钢件置于稍低于氮化温度下加热保温,热透后热校正,校正后进行400～420℃×2h去应力退火处理。
5氮化层耐腐蚀性差
原因———当氮化钢件表面形成一层致密的、化学稳定性很高的ε相层(厚约0.015～0.060mm)时,钢件有良好的抗腐蚀性能,但ε相层过薄(<0.015mm)或过厚(>0.06mm)时,均会降低抗腐蚀性能。实验表明,ε相层含氮量在6.1%～8.5%时均有较好抗蚀性能;但当ε相层含氮量<6.1%或>8.5%时,均会降低抗蚀性。钢件表面有锈蚀、污垢、刀痕、磨痕或炉内分解率太高,产生活性[N]原子不足及渗氮时间短等,将会导致渗氮层表面氮浓度不足,无ε相层形成,或生成有孔隙ε相层,耐腐蚀性能差,降低模具使用寿命。
措施———选用DK21型氮势控制仪,以有效控制渗氮层相组织成分,形成含氮浓度为6.1%～8.5%、厚度为0.015～0.060mm的致密ε相层;氮化模具应预先调质处理,细化原始组织,为形成致密ε相层创造组织条件;模具型面应磨加工,降低表面粗糙度值;制订能形成致密ε相层的氮化工艺,选定合适的NH3分解率和足够的渗氮保温时间;返修时抛光模具型面,清洗干净后按修订氮化工艺补渗氮一次。
6氮化铝材模具表面氧化
原因———铝材模具经氮化后正常颜色是无光泽银灰色,表面出现蓝色、黄色或其他颜色,表明已被氧化着色,既影响外观,又会影响表面硬度和耐磨性。造成表面氧化是因渗氮罐和炉盖密封不严,炉内出现负压,外部空气倒灌炉内和氨气含水过多及渗氮保温后随炉冷却时供NH3不足,吸入空气或出炉温度过高等原因。炉内H2O、CO2、O2在加热时便和工件中Fe发生化学反应,使其表面氧化,生成氧化铁薄膜:
2Fe+O2→2FeO
Fe+CO2→FeO+CO↑
Fe+H2O→FeO+H2↑
同样,若仪表失灵,炉内温度过高,工件在炉气作用下,钢中碳(C)便和炉气发生化学反应,使钢件脱碳:
2Fe(C)+O2→2Fe+2CO
2Fe(C)+CO2→2Fe+2CO
Fe(C)+2H2O→Fe+CH4+O2或Fe(C)+H2O→Fe+H2+CO
措施———渗氮前检查渗氮罐及供氨系统密封性,发现漏气应及时修理或更换;NH3含水量应≤0.15%为宜,干燥剂使用一次后应更换或烘干再用,氨气分解测定仪应保持良好的工作状态;渗氮过程及结束冷却时应维持炉内正压,避免产生负压,模具出炉温度要≤200℃或渗氮保温后出炉油冷。这样既可提高抗疲劳强度,又可避免氧化。对已氧化着色的模具,可在抛光清除氧化色后按修订工艺补渗氮一次,使其达到技术要求。
7氮化铝材模具表面腐蚀
原因———传统的气体氮化生产周期长、效率低、成本高,采用NH4Cl催渗,能有效缩短生产周期,节电省时,增加效益。在氮化温度下,NH4Cl分解为NH3和HCl,HCl能腐蚀掉金属表面氧化膜,减少活性[N]原子渗入的阻力,从而加速氮化进程。但若过量腐蚀会成为氮化缺陷,破坏表面粗糙度,形成腐蚀坑,降低抗疲劳强度,影响模具使用寿命。
措施———将固体NH4Cl与烘干后的石英砂按照1∶200均匀混合后,以0.6～1.0kg/m3(氮化罐容积)装于氮化罐底部,与模具保持一定距离,避免与模具直接接触,该措施能有效防止模具表面被腐蚀。返修时对轻微腐蚀模具经抛光清除腐蚀表面后,用汽油或酒精清洗干净,按正常渗氮工艺补渗氮2～3h,使其达到技术条件。
8渗氮层脆性大、起泡剥落有裂纹
原因———原材料有带状组织和非金属夹杂物严重超标;设计不当,工件尖角锐边表面积过大,活性[N]原子从多方面同时渗入,氮浓度高,形成ζ脆性相,结合不牢;渗氮介质活性太强,表面吸收大于扩散,活性[N]原子堆积在金属表面,表层含氮浓度过大(超过11.0%),形成ζ脆性相,因ζ相浓度大,渗层陡,大大削弱了渗层与基体结合力,易起泡,在外力和渗后因冷速过大产生较大内应力的共同作用下,引起氮化层剥落或产生裂纹;NH3含水量过大,分解率不足,强渗温度过高,时间过长,或原材料组织粗大,表面脱碳等均会导致金属表层浓度过大,渗氮层过陡,与基体结合不牢,使氮化层脆性大,易起泡,在外力作用下剥落和碎裂失效。
措施———选用无带状组织,杂质少,晶粒细,无宏观和显微冶金缺陷的精炼钢;对原材料进行锻造,击碎带状组织,细化晶粒,改变非金属夹杂物形貌,消除偏析,使之细化与均匀分布;改进设计,将尖角锐边改成圆角;控制供NH3量与分解率及保持炉内正压力,使活性[N]原子扩散速度稍大于金属表面吸收速度,避免出现高氮浓ζ脆性相;NH3流量愈大,炉内停留时间愈长,NH3分解率愈高,氨分解率宜控在30%～50%之间;经常更换干燥剂,使氨气中H2O≤0.02%。采用精密多段控温,保持炉内温度均匀;确保模具工作面表面粗糙度Ra为0.2μm;采用辉光离子氮化等新工艺,缩短强渗期,延长扩散期,可降低渗层氮浓度,使氮化层均匀,浓度和硬度梯度由表至内平衡降低,可消除渗氮层裂纹,增强渗层韧性,降低脆性和提高渗层与基体结合力,提高抗冲击性能。返修时清理干净渗氮表面后,置于550～560℃氮化炉中保温10～15h,在较低NH3分解率气氛中扩散处理,再经金相检查,达到质量标准。
9鱼骨状氮化物
原因———因氨气含水分高,杂质多,分解率太低,炉内出现负压,外部空气倒灌;以及原材料原始组织中有大块游离铁素体未消除,都会使模具渗氮后形成鱼骨状氮化物,氮化钢一般含碳量≤0.55%,当钢锭从1000～1200℃高温奥氏体状态经长时间缓慢冷却扩散退火后,游离铁素体沿奥氏体晶界及解理面以微细格子状析出,晶粒粗大,调质处理无法消除,大块铁素体保留在氮化过程中,因金属表层铁素体增大吸氮能力,使氮元素富集,导致氮化物沿一定晶面呈鱼骨状析出,使氮化层组织性能恶化,脆性大,无法使用。
措施———渗氮前严格检查,渗氮罐及供氨系统应密封无渗漏,确保渗氮过程炉内维持正压;氨气含水量应≤0.15%,并经常更换干燥剂,彻底排除炉内非渗氮气氛;加强原材料原始组织检查,不使用有大块铁素体组织的材料;若需利用该材料必须改锻,击碎粗大铁素体组织,锻后正火处理,进一步细化组织,再按正常调质预处理,以获得氮化前所需的均匀细密回火索氏体组织。对有鱼骨状氮化物的工件,应采取退氮处理,若有磨量,磨去鱼骨状氮化物后,按修订工艺补渗氮一次,经金相检查组织性能合格后方可利用。
10网状、波纹状氮化物
原因———氮化时氮化物沿晶界扩展形成网状、波纹状的氮化物工件韧性差、脆性大、耐冲击和耐磨损性能低,服役时在外力作用下易产生疲劳剥落。原因是氮化前调质预处理淬火加热温度太高,晶粒粗大(≤7级)和严重氧化脱碳;控温仪表失灵,炉内实际温度大大高于仪表指示温度,造成渗氮温度过高,使扩散层中氮化物聚集长大,弥散度降低;液氨含水过量,干燥剂失效和NH3分解率太低,生成过量活性[N]原子堆集于晶界。
措施———制订合理的调质预处理工艺,淬火加热温度应确保奥氏体晶粒≥8级,在保护气氛炉中进行,防氧化脱碳;改进设计,以圆角代替尖角锐边;渗氮温度不宜超过580℃,随炉校验控温仪表,加热和冷却速度不宜过快;定期更换干燥剂,选用QRD2112型氨气分解测定仪,严格按需控制氨分解率,避免炉气氮势过高等,能有效防止网状、波纹状氮化物形成。
11结束语
针对以上氮化缺陷,采取有效措施确保氮化质量,充分发挥氮化在铝材模具制造中强化效果,能有效提高铝材模具质量和使用寿命,给企业带来经济效益。
