氮化是鋼件表面改性強化處理的工藝方法之一。當代輝光離子氮化、雙程氮化、三段氮化和預氧化雙程氮化及催滲氮化等方法發展了傳統氮化工藝,使氮化質量達到了新水平。
將氮化介質氨氣通入氮化爐中,加熱至500～6000℃發生熱分解:2NH3≒2[N]+3H2。分解活性[N]原子被鋼件表面吸收,并向金屬內部擴散,首先溶解在α-Fe中形成固溶體,飽和后逐漸形成氮化物層。滲氮層具有高硬度、高耐磨、高抗疲勞強度和較高抗蝕性及熱處理畸變小等特點,廣泛應用于模具制造業。模具經氮化處理后,可成倍、甚至數倍提高模具使用壽命。但在實際生產中,因種種原因會產生各種各樣的氮化缺陷,本文分析了其產生原因,并提出了相應的消除措施。
傳統的合金鋼料中之鋁、鉻、釩及鉬元素對滲氮甚有幫助。這些元素在滲氮溫度中，與初生態的氮原子接觸時，就生成安定的氮化物。尤其是鉬元素，不僅作為生成氮化物元素，亦作為降低在滲氮溫度時所發生的脆性。其他合金鋼中的元素，如鎳、銅、硅、錳等，對滲氮特性并無多大的幫助。一般而言，如果鋼料中含有一種或多種的氮化物生成元素，氮化后的效果比較良好。其中鋁是最強的氮化物元素，含有0.85～1.5%鋁的滲氮結果最佳。在含鉻的鉻鋼而言，如果有足夠的含量，亦可得到很好的效果。
模具氮化處理現場
傳統的合金鋼料中之鋁、鉻、釩及鉬元素對滲氮甚有幫助。這些元素在滲氮溫度中，與初生態的氮原子接觸時，就生成安定的氮化物。尤其是鉬元素，不僅作為生成氮化物元素，亦作為降低在滲氮溫度時所發生的脆性。其他合金鋼中的元素，如鎳、銅、硅、錳等，對滲氮特性并無多大的幫助。一般而言，如果鋼料中含有一種或多種的氮化物生成元素，氮化后的效果比較良好。其中鋁是最強的氮化物元素，含有0.85～1.5%鋁的滲氮結果最佳。在含鉻的鉻鋼而言，如果有足夠的含量，亦可得到很好的效果。
模具氮化處理現場
1滲氮層硬度過低
原因———氮化鋼化學成分不符或混料;鋼件未經調質預處理,未獲得氮化前所需細密的回火索氏體組織,或雖經調質預處理,但基體組織硬度低,滲氮硬化層如附在薄冰上;控溫儀表失靈,導致氮化溫度過高和氮化強滲期NH3分解率偏高,爐內氮氣氛過低或氮化箱內氨氣含水過量,對NH3分解起“一觸媒”作用。生產實踐表明,當NH3分解率≥65%～70%時,介質中氫氣含量增加,會阻礙工件表面氮化物形核,降低工件表面吸氮能力,鋼件表層含氮量低,滲氮件表面有油污、氧化皮和脫碳層未去除,或使用新的滲氮罐及滲氮罐久用未經退氮;滲氮爐密封不嚴、漏氣等,都會造成氮化層硬度過低。
措施———嚴格檢查滲氮鋼材,投產前對滲氮鋼進行化學成分復查,合格后再投產;氮化前必須對鋼件進行調質預處理,以獲得均勻細密的回火索氏體組織和所需硬度,調質回火溫度應略高于滲氮溫度,確保滲氮后鋼基體硬度不降低;選用WJ21型微機控溫儀,控溫精度在±1.5℃以內,確保滲氮溫度準確無誤。滲氮前工件噴細砂處理,去除氧化皮、脫碳層和污物,并檢查滲氮爐密封性,發現漏氣及時修理或更換;選用搪瓷罐,對不銹鋼罐應先空罐氮化后啟用,對久用氮化罐及工夾具要退氮后再用;氮化過程中要緩慢升溫加熱,適當加大NH3流量,降低NH3分解率使之≤50%。返修時清理干凈滲氮工件表面后,修訂氮化工藝,補滲氮一次,以達到技術要求。
2滲氮層淺
原因———滲氮爐有效加熱區溫差大,且不均勻;鋼件表面有油污,滲氮件裝爐不當;鋼件之間過密,甚至層疊,使進氣管道堵塞,氣流不暢;第一階段強滲期,NH3分解率不穩定,有時過高,有時過低;第二階段擴散溫度過低、保溫時間不足等因素都會造成滲氮層淺,且不均勻。
措施———疏通管道閥門,穩定控制NH3分解率在20%～40%之間,使之產生的活性[N]原子基本上與鋼件表面吸[N]量及[N]的擴散量平衡;精密控溫,有效加熱區溫差不大于±1.5℃和延長擴散時間;滲氮件合理裝掛,保證工件間氨氣均勻暢通,滲氮爐應嚴格密封,確保爐內氮氣氛循環正常;采用催滲氮化,滲劑中加入適量NH4Cl和RE(稀土)元素等催滲劑,選用鍍Ti氮化,鋼件表面先鍍Ti,因Ti與N親和力強,形成Ti在Fe中固溶體,迅速形成均勻氮化層。生產實踐表明,新工藝與傳統工藝比,能迅速生成厚且均勻的氮化層,滲層深度增加25%～40%,生產周期縮短近一半,節電40%～50%。
返修處理,用汽油或酒精清理干凈滲氮表面,嚴格按原第二階段擴散工藝補滲氮一次以達到質量指標。
3滲氮層硬度不均,有軟點
原因———原材料化學成分不均勻,偏析嚴重,晶粒粗大(≤7級),奧氏體呈長條狀;鋼中鐵素體呈大塊狀和雜質含量超標,導致淬火組織粗大和塊狀鐵素體未溶解及調質回火溫度過高;原材料脫碳層未加工和鋼件表面污物未除凈;爐內溫度不均勻,鋼件裝掛不當,間距小,相互接觸,氣管堵塞氨氣不暢;局部滲氮鋼件鍍錫層過厚或結合不牢。風扇轉速太快、震動大造成流錫等,上述原因會導致滲氮面產生亮塊、亮點、硬度等不均,由于性能不穩定,軟點處硬度低,先造成磨損,形成溝槽而致使模具失效。
措施———選用爐外精煉鋼、電渣重熔鋼、真空熔煉鋼,這些材料具有純潔度高、雜質少、晶粒細、碳化物小、化學成分和組織均勻、等向性能好等特點;采用精密儀表控溫,分段控溫,合理布局電阻絲,確保爐膛各部位溫度均勻一致;留足冷切削加工余量去除脫碳層;合理裝掛,使鋼件之間留空隙,確保氨氣循環均勻暢通;鋼件調質淬火加熱在真空電爐、保護氣氛爐或鹽浴爐中進行,防止氧化脫碳;嚴格控制鍍錫層厚度,以0.010～0.015mm為宜;降低風扇轉速,避免較大震動。返修時清理干凈滲氮層表面后,重新制訂滲氮工藝補滲氮一次達到質量指標。
4氮化鋼件畸變
原因———鋼件設計不合理,較多尖角銳邊,厚薄懸殊過大;氮化前鋼件存在較大組織應力和機械冷加工應力未消除;滲氮爐內溫度不均勻,加熱升溫速度過快,鋼件出爐時冷卻速度大;鋼件裝掛不合理與滲氮面不對稱;滲氮層比容較大,產生組織應力與滲氮層厚度成正比,滲氮層愈厚,產生組織應力與比容愈大。
鋼件在上述多種應力作用下易發生畸變,微量畸變可通過最后磨削加工去除,而超差畸變則影響裝配和使用壽命,甚至成為廢品,因此必須把畸變控制在公差范圍內。
措施———改進設計,增加工藝孔和加強筋,用圓角代替尖角銳邊,減少應力集中,并盡量使鋼件對稱,避免厚薄懸殊過大;氮化前在稍低于調質回火溫度下回火1～2h,消除冷加工應力;合理裝掛鋼件,確保氨氣循環暢通,不氮化易畸變部位留加工余量,以便氮化后去除畸變部位;鋼件低溫入爐,緩慢升溫,升溫速度以50～70℃/h為宜,冷卻時隨爐降溫至≤200℃出爐空冷,降低熱應力與組織應力;選擇適合滲氮方法,制訂合理滲氮工藝,對易畸變復雜鋼件選用輝光離子氮化等措施,確保氮化鋼件畸變在公差范圍內或無畸變。返修時應使易校正的畸變鋼件置于稍低于氮化溫度下加熱保溫,熱透后熱校正,校正后進行400～420℃×2h去應力退火處理。
5氮化層耐腐蝕性差
原因———當氮化鋼件表面形成一層致密的、化學穩定性很高的ε相層(厚約0.015～0.060mm)時,鋼件有良好的抗腐蝕性能,但ε相層過薄(<0.015mm)或過厚(>0.06mm)時,均會降低抗腐蝕性能。實驗表明,ε相層含氮量在6.1%～8.5%時均有較好抗蝕性能;但當ε相層含氮量<6.1%或>8.5%時,均會降低抗蝕性。鋼件表面有銹蝕、污垢、刀痕、磨痕或爐內分解率太高,產生活性[N]原子不足及滲氮時間短等,將會導致滲氮層表面氮濃度不足,無ε相層形成,或生成有孔隙ε相層,耐腐蝕性能差,降低模具使用壽命。
措施———選用DK21型氮勢控制儀,以有效控制滲氮層相組織成分,形成含氮濃度為6.1%～8.5%、厚度為0.015～0.060mm的致密ε相層;氮化模具應預先調質處理,細化原始組織,為形成致密ε相層創造組織條件;模具型面應磨加工,降低表面粗糙度值;制訂能形成致密ε相層的氮化工藝,選定合適的NH3分解率和足夠的滲氮保溫時間;返修時拋光模具型面,清洗干凈后按修訂氮化工藝補滲氮一次。
6氮化鋁材模具表面氧化
原因———鋁材模具經氮化后正常顏色是無光澤銀灰色,表面出現藍色、黃色或其他顏色,表明已被氧化著色,既影響外觀,又會影響表面硬度和耐磨性。造成表面氧化是因滲氮罐和爐蓋密封不嚴,爐內出現負壓,外部空氣倒灌爐內和氨氣含水過多及滲氮保溫后隨爐冷卻時供NH3不足,吸入空氣或出爐溫度過高等原因。爐內H2O、CO2、O2在加熱時便和工件中Fe發生化學反應,使其表面氧化,生成氧化鐵薄膜:
2Fe+O2→2FeO
Fe+CO2→FeO+CO↑
Fe+H2O→FeO+H2↑
同樣,若儀表失靈,爐內溫度過高,工件在爐氣作用下,鋼中碳(C)便和爐氣發生化學反應,使鋼件脫碳:
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———滲氮前檢查滲氮罐及供氨系統密封性,發現漏氣應及時修理或更換;NH3含水量應≤0.15%為宜,干燥劑使用一次后應更換或烘干再用,氨氣分解測定儀應保持良好的工作狀態;滲氮過程及結束冷卻時應維持爐內正壓,避免產生負壓,模具出爐溫度要≤200℃或滲氮保溫后出爐油冷。這樣既可提高抗疲勞強度,又可避免氧化。對已氧化著色的模具,可在拋光清除氧化色后按修訂工藝補滲氮一次,使其達到技術要求。
7氮化鋁材模具表面腐蝕
原因———傳統的氣體氮化生產周期長、效率低、成本高,采用NH4Cl催滲,能有效縮短生產周期,節電省時,增加效益。在氮化溫度下,NH4Cl分解為NH3和HCl,HCl能腐蝕掉金屬表面氧化膜,減少活性[N]原子滲入的阻力,從而加速氮化進程。但若過量腐蝕會成為氮化缺陷,破壞表面粗糙度,形成腐蝕坑,降低抗疲勞強度,影響模具使用壽命。
措施———將固體NH4Cl與烘干后的石英砂按照1∶200均勻混合后,以0.6～1.0kg/m3(氮化罐容積)裝于氮化罐底部,與模具保持一定距離,避免與模具直接接觸,該措施能有效防止模具表面被腐蝕。返修時對輕微腐蝕模具經拋光清除腐蝕表面后,用汽油或酒精清洗干凈,按正常滲氮工藝補滲氮2～3h,使其達到技術條件。
8滲氮層脆性大、起泡剝落有裂紋
原因———原材料有帶狀組織和非金屬夾雜物嚴重超標;設計不當,工件尖角銳邊表面積過大,活性[N]原子從多方面同時滲入,氮濃度高,形成ζ脆性相,結合不牢;滲氮介質活性太強,表面吸收大于擴散,活性[N]原子堆積在金屬表面,表層含氮濃度過大(超過11.0%),形成ζ脆性相,因ζ相濃度大,滲層陡,大大削弱了滲層與基體結合力,易起泡,在外力和滲后因冷速過大產生較大內應力的共同作用下,引起氮化層剝落或產生裂紋;NH3含水量過大,分解率不足,強滲溫度過高,時間過長,或原材料組織粗大,表面脫碳等均會導致金屬表層濃度過大,滲氮層過陡,與基體結合不牢,使氮化層脆性大,易起泡,在外力作用下剝落和碎裂失效。
措施———選用無帶狀組織,雜質少,晶粒細,無宏觀和顯微冶金缺陷的精煉鋼;對原材料進行鍛造,擊碎帶狀組織,細化晶粒,改變非金屬夾雜物形貌,消除偏析,使之細化與均勻分布;改進設計,將尖角銳邊改成圓角;控制供NH3量與分解率及保持爐內正壓力,使活性[N]原子擴散速度稍大于金屬表面吸收速度,避免出現高氮濃ζ脆性相;NH3流量愈大,爐內停留時間愈長,NH3分解率愈高,氨分解率宜控在30%～50%之間;經常更換干燥劑,使氨氣中H2O≤0.02%。采用精密多段控溫,保持爐內溫度均勻;確保模具工作面表面粗糙度Ra為0.2μm;采用輝光離子氮化等新工藝,縮短強滲期,延長擴散期,可降低滲層氮濃度,使氮化層均勻,濃度和硬度梯度由表至內平衡降低,可消除滲氮層裂紋,增強滲層韌性,降低脆性和提高滲層與基體結合力,提高抗沖擊性能。返修時清理干凈滲氮表面后,置于550～560℃氮化爐中保溫10～15h,在較低NH3分解率氣氛中擴散處理,再經金相檢查,達到質量標準。
9魚骨狀氮化物
原因———因氨氣含水分高,雜質多,分解率太低,爐內出現負壓,外部空氣倒灌;以及原材料原始組織中有大塊游離鐵素體未消除,都會使模具滲氮后形成魚骨狀氮化物,氮化鋼一般含碳量≤0.55%,當鋼錠從1000～1200℃高溫奧氏體狀態經長時間緩慢冷卻擴散退火后,游離鐵素體沿奧氏體晶界及解理面以微細格子狀析出,晶粒粗大,調質處理無法消除,大塊鐵素體保留在氮化過程中,因金屬表層鐵素體增大吸氮能力,使氮元素富集,導致氮化物沿一定晶面呈魚骨狀析出,使氮化層組織性能惡化,脆性大,無法使用。
措施———滲氮前嚴格檢查,滲氮罐及供氨系統應密封無滲漏,確保滲氮過程爐內維持正壓;氨氣含水量應≤0.15%,并經常更換干燥劑,徹底排除爐內非滲氮氣氛;加強原材料原始組織檢查,不使用有大塊鐵素體組織的材料;若需利用該材料必須改鍛,擊碎粗大鐵素體組織,鍛后正火處理,進一步細化組織,再按正常調質預處理,以獲得氮化前所需的均勻細密回火索氏體組織。對有魚骨狀氮化物的工件,應采取退氮處理,若有磨量,磨去魚骨狀氮化物后,按修訂工藝補滲氮一次,經金相檢查組織性能合格后方可利用。
10網狀、波紋狀氮化物
原因———氮化時氮化物沿晶界擴展形成網狀、波紋狀的氮化物工件韌性差、脆性大、耐沖擊和耐磨損性能低,服役時在外力作用下易產生疲勞剝落。原因是氮化前調質預處理淬火加熱溫度太高,晶粒粗大(≤7級)和嚴重氧化脫碳;控溫儀表失靈,爐內實際溫度大大高于儀表指示溫度,造成滲氮溫度過高,使擴散層中氮化物聚集長大,彌散度降低;液氨含水過量,干燥劑失效和NH3分解率太低,生成過量活性[N]原子堆集于晶界。
措施———制訂合理的調質預處理工藝,淬火加熱溫度應確保奧氏體晶粒≥8級,在保護氣氛爐中進行,防氧化脫碳;改進設計,以圓角代替尖角銳邊;滲氮溫度不宜超過580℃,隨爐校驗控溫儀表,加熱和冷卻速度不宜過快;定期更換干燥劑,選用QRD2112型氨氣分解測定儀,嚴格按需控制氨分解率,避免爐氣氮勢過高等,能有效防止網狀、波紋狀氮化物形成。
11結束語
針對以上氮化缺陷,采取有效措施確保氮化質量,充分發揮氮化在鋁材模具制造中強化效果,能有效提高鋁材模具質量和使用壽命,給企業帶來經濟效益。
