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摘 要：本文通过对H13模具钢气体硬氮化与气体软氮化的原理、工艺参数、氮化层组织性能等方面进行对比分析，结果表明气体硬氮化与气体软氮化各有优劣，应采用适合本企业实际情况的氮化方法。 关键词：气体硬氮化、气体软氮化、H13模具钢、铝型材挤压 1、前言 H13模具钢含有较高含量的碳和钒，耐磨性好，韧性相对有所减弱，具有良好的耐热性，在较高温度时具有较好的强度和硬度，高的耐磨性的韧性，优良的综合力学性能和较高的抗回火稳定性，是目前应用最广泛和最具代表性的热作模具钢。H13模具钢在使用前经适当的淬火+回火等热处理，可获得优良的综合性能。 挤压模具工作时直接与高温锭接触，同时承受高温、高压、剧烈摩擦等作用，工作条件极其恶劣，使模具极易因磨损和疲劳而失效，这将使模具的使用寿命明显下降。对H13钢模具进行表面改性处理，是综合改善模具寿命的关键。而采用表面渗氮技术来改善模具材料表面质量是常用的一种低成本、方便实用的处理方法。目前较为常用的氮化方式有气体渗氮、液体渗氮以及辉光离子渗氮。其中气体渗氮又有硬氮化与软氮化之分。 2、气体硬氮化 2.1、原理 气体硬氮化，即气体渗氮，是指在一定温度下一定介质中是氮原子渗入钢材表层的化学热处理工艺，为将其与气体软氮化区分开来，又称之为气体硬氮化。气体渗氮时，将工件置于炉内，将NH3气体直接输进500～560℃的氮化炉内， NH3气体在高于480℃时经热分解如下：2NH3 →2〔N〕+ 3 H2 分解出的氮原子大部分生成为N2气体，小部分活性氮原子被工件表面吸收，然后往工件内部扩散。经过一段时间后，工件表面即获得了一定深度的氮化层。氮化层包括外层的化合层（又称白亮层）以及与之相邻的扩散层（又称暗黑层）。白亮层对磨损起决定作用。 气体渗氮后，其组织主要为ε相与γ′相，处理不当时易产生ξ相，应尽量避免ξ相的产生。ε相和γ′相硬度高，组成的化合物层（白亮层）结构致密，有良好的耐磨性；ε相具有较高的电极电位，抗腐蚀性能较好；因此提高了工件的耐磨性和耐腐蚀性。基体内，铁和合金元素（Mo、V、Cr等）与氮有较强的亲和力，与氮原子形成许多合金氮化物，显著提高渗氮层的硬度；且形成的各种氮化物的比容大于铁，渗氮之后，材料表面形成较大的残余压应力，可抵消不分外加拉应力，这样就显著提高了钢的抗高周疲劳性能。 2.2、氮化规律 气体氮化的主要工艺参数是氮化温度，氮化时间和氨气分解率，它们对于渗氮速度，氮化层深度，氮化层硬度以及耐磨性，抗腐蚀性，韧性等有着极大的影响。 当氮化时间和氨气分解率相同时，随温度增加，氮化层增厚，氮化弥散度减少。当温度升到580℃以上后，表面硬度下降。当氮化温度降低，氮原子扩散速度减慢，渗层浅，表面硬度较高，脆性较大。氮化温度一般控制在520-540℃。 氨气分解率根据温度的不同，一般控制在20%-60%范围之内，通常为40%左右。氨气分解率大于60%，会降低氮化层的硬度和耐磨性；大于70%之后，氮化层深度会急剧下降。 氮化保温时间则取决于氮化温度以及对氮化层的深度要求。保温时间越长，则氮化层越深，但会使渗层硬度下降。 3、气体软氮化 3.1、原理 气体软氮化，即气体氮碳共渗，是指以气体渗氮为主，渗碳为辅的的低温氮碳共渗。常用介质有50%氨气+50%吸热式气体（Nitemper法）；35%-50%氨气+50-60%放热式气体（Nitroc法）和通氨气时滴注乙醇或甲酰胺等数种。在软氮化时，由于碳原子在ε相中的溶解度高，软氮化的表层是碳、氮共同的化合物，这种化合物韧性好且耐磨。 在气体软氮化过程中，由于碳原子的溶解度极低，所以很快达到饱和状态，析出许多超显微的渗碳体质点。这些渗碳体质点，作为氮化物结晶的核心，促使氮化物的形成。而当表层氮浓度达到一定时便形成ε相，而ε相的碳溶解能力很高，反过来又能加速碳的溶解。 气体软氮化后，其组织由ε相，γ′相和含氮的渗碳体Fe3（C，N）所组成，碳会降低氮的扩散速度，所以热应力和组织应力较硬氮化大，渗层更薄。但同时，由于软氮化层不存在ξ相，故氮化层韧性比硬氮化后更佳。 3.2、工艺参数 气体软氮化的主要工艺参数为氮化温度，氮化时间，以及氮化气氛。 气体软氮化温度常用560-570℃，因该温度下氮化层硬度最高。氮化时间通常为3-4小时，因为化合物层的硬度在共渗2-3小时达到最高，而随时间的延长，氮化层深度增加缓慢。氮化气氛由氨气分解率和含碳渗剂的滴量速度所决定。 4、对比分析 4.1、试验内容 取同一批次H13模具钢共4件，其中2件做气体硬氮化处理，另外2件做气体软氮化处理。 气体硬氮化采用氮化工艺如下：氮化温度530±10℃，氮化时间15小时，氨气分解率25%-30%。试样编号为1-2号。 气体软氮化采用氨气和甲酰胺为共渗介质，氮化工艺如下：氮化温度570±10℃，保温期氨气分解率控制在25%-30%，甲酰胺滴量为70-80滴/分，保温时间3-4小时；净化期氨气分解率为65-80%，时间1小时。试样编号为3-4号。 4.2、试验数据及分析 图1为所得试样渗氮层硬度梯度对比。从中可以看出，4件试样表面硬度以及硬度梯度曲线都较为相近，说明H13模具钢经气体硬氮化和气体软氮化后渗氮层硬度相差不大。表层硬度达到了1000-1200HV，均能满足铝型材热挤压的需要。气体软氮化硬度曲线更陡的特性未表现出来，可能是测量的渗层深度还不够的原因。 图2至图5依次为1-4号试样氮化后白亮层的金相显微图，可以发现，4件试样的白亮层厚度差距很小。
图3 图4 图5 5、结论 H13模具钢气体硬氮化和气体软氮化后，其硬度和白亮层的差距很小，都能较好地适应铝型材热挤压的工作环境。相较而言，气体软氮化的效率更高，但工艺相对复杂，对操作人员的要求也更高。铝型材生产企业应根据自身需要和实际情况选择适合本公司的氮化方式。 参考文献： 潘健生 胡明娟，热处理工艺学，高等教育出版社，2009-01 吴锡坤，铝型材加工实用技术手册，中南大学出版社，2006 蔡美良 丁蕙麟 孟沪龙，新编工模具钢金相热处理，机械工业出版社，2001-05 楼芬丽 张开 张建华 方国平，H13钢的表面处理技术，金属热处理，2002，27（6）：28-30 邓汝荣 郭海涛，铝型材挤压模的气体软氮化工艺，《铝加工》，1998，21（2）：28-31 |
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