氮化是將活性氮[N]原子滲入鋼件表面，形成氮化層，是現代化學改性強化處理工藝方法之一。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稀土(RE)催滲氮化等方法發展了傳統鋼件氮化工藝，使氮化質量達到新水平。氮化層具有高硬度、高耐磨、抗疲勞、抗粘結、抗腐蝕、抗擦傷和熱硬性與畸變小等模具所需寶貴特性，廣泛應用于模具制造業。東莞市弘超模具科技有限公司專業銷售進口高品質模具鋼（日本大同模具鋼、瑞典一勝百模具鋼、瑞典Uddeholm工具鋼、日本日立模具鋼、日本不二越高速鋼、美國熔爐斯伯粉末工具鋼、德國葛利茲模具鋼、意大利超大鍛件等）及國產新型模具鋼（熱鍛模具鋼、熱擠壓模具鋼、冷鐓模具鋼、冷擠壓模具鋼、 無磁模具鋼、基體鋼等），提供模具氮化缺陷及模具失效解決方案一站式服務。
    將成品模具置于密封氮化爐中，通入氮化介質氨(NH₃)氣，加熱至500℃~650℃，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，其維氏硬度高達1000HV，具有上述寶貴特性。模具表面呈銀灰色。不論是熱作模具或是冷作模具，根據模具化學改性強化處理需要，氮化可放在最終淬火之前或最終回火之后進行。模具經氮化處理后可成倍提高模具壽命。但在實際生產中，因種種原因會產生各種各樣的氮化缺陷。主要有10種，分析缺陷形成原因。采取有效措施，消除氮化缺陷，確保氮化質量和模具長壽命。

缺陷一：滲氮層硬度過低
(1)原因分析。氮化的模具鋼材化學成分不符或混料等導致滲氮模具表層含氮量不足；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第一階段強滲期NH₃分解率偏高，爐內滲氮氣氛過低，產生活性［N］原子不足，或氮化箱內含水(H2O)過量，對NH3分解起“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．會阻礙鋼件表面氮化物形成，降低鋼件表面吸氮能力，導致滲氮模具表層含氮量低；滲氮件表面不潔，有油污、氧化皮和脫碳層未去除．或使用新滲氮罐及滲氮罐久用未經遐氮處理；氮化爐密封不嚴、漏氣等，均會造成氮化層硬度過低。
(2)解決措施。滲氮鋼材入庫和投產前對其化學成分進行復查，合格后再投產；按鋼材不同熔煉爐號和批號分開堆放，避免混料，氮化前必須對鋼件調質處理。以獲得均勻細密的回火索氏體組織和所需基體硬度。氮化溫度應略低于調質回火溫度。確保滲氮后鋼件基體硬度不降低；選用WJ-1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和氮化過程中跟蹤校溫；若冷加工后有上限留量噴細砂，去除氧化皮、脫碳層和污物；裝爐前仔細檢查滲氮爐密封性．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；氮化過程中要低溫人爐，緩慢升溫，適當加大NH₃流量，降低NH₃分解率使之≤50%；返修時用汽油或酒精清理干凈滲氮鋼件表面，一般在520℃~530℃x7~10h補滲氮一次，NH₃分解率控制在20%~25%為宜。達到技術要求等上述措施，有效避免因氮化層硬度低而降低模具耐磨性和壽命。
缺陷二：滲氮層淺
(1)原因分析。滲氮爐有效加熱區溫差大，且不均勻；鋼件表面有污物、銹跡和氧化物：滲氮件裝爐不當．鋼件之間過密，甚至層疊，使進氣管堵塞，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；第二階段擴散期溫度偏低、保溫時間不足等因素都會造成滲氮層淺，且不均勻，因硬化層淺易導致模具服役時早期不均勻磨損失效。
(2)解決措施。嚴格投產前氮化爐氣密性檢查，疏通管道閥門；生產時穩定控制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］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，相互之間有一定間距，避免重疊面接觸，確保工件間氨氣均勻暢通和爐內氮氣循環正常；采用催滲氮化，滲劑中加入適量Re(稀土)元素制成催滲滴劑，選用鍍Ti(鈦)氮化，鋼件表面先鍍Ti，因Ti與N親和力強．形成在Fe中固溶體．能迅速形成均勻氮化層。生產實踐表明，新工藝與傳統工藝比，能快速形成厚且均勻氮化層，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等上述措施，有效避免不均勻滲氮層形成，達到均勻一致滲氮層和所需氮濃度和氮化層組織。
缺陷三：滲氮層硬度不均，有軟點
(1)原因分析。模具鋼材化學成分不均勻，偏析嚴重，晶粒粗大(≤7級)，奧氏體呈長條狀，鐵索體呈大塊狀和鋼中有害雜質含量超標。導致最終淬火生成粗馬氏體和未溶解低硬度塊狀鐵素體；調質回火溫度過高，造成基體硬度偏低；模具鋼材脫碳層未加工掉和鋼件表面污物末除凈；氮化爐加熱器布局不合理，導致爐內溫度不均勻；鋼件裝掛不當，間距小，相互接觸，氣管堵塞氨氣不暢；局部防滲氮鋼件鍍錫層過厚或結合不牢，風扇轉速太快、震動大造流錫等。上述原岡會導致滲氮面產生亮塊、亮點即是軟點，低硬度和硬度不均，由于性能不穩定，模具服役時，有軟點處先磨損，形成溝槽，導致早期軟塌磨損失效。東莞弘超-模具鋼材專業供應商，提供模具鋼材氮化缺陷解決方案一站式服務。
(2)解決措施。選用爐外精煉鋼、電渣重熔鋼、真空熔煉鋼，這些模具鋼材具有純潔度高、雜質少、品粒細、碳化物小、化學成分和組織均勻無偏析、等向性能好等特點；采用精密儀表控溫，分段控溫、合理布局加熱器，確保爐膛各部位溫度均勻，溫差≤±1.5℃；留足冷切削加工余量去除模具鋼材脫碳層；科學合理裝掛,鋼件之間留空隙，確保NH₃氣循環均勻暢通；模具熱處理宜在真空電爐、保護氣氛爐或鹽浴爐中進行，防氧化脫碳；嚴格控制鍍錫層厚度，以0.010~0.015mm為宜和降低氮化爐風扇轉速，避免較大震動。返修時清理干凈滲氮表面后，重新制訂滲氮工藝，允許補滲氮一次等上述措施，有效確保滲氮層硬度均勻，消除軟點，達到滲氮層質量指標。

未完待續
(下轉)模具鋼材氮化缺陷的原因分析及解決方案(二)

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資料來源：東莞市弘超模具科技有限公司技術中心
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