氮化材料知多少

氮化次数对铝合金挤压模具的影响白云鹏;谭琳;唐荻;周龙;朱莹莹【摘 要】通过对一次、二次、三次氮化的H13模具钢硬度比较、组织观察、挤压生产结果的对比,分析氮化次数对H13模具钢性能与组织的影响.结果表明,三次氮化的模具硬度最高,氮化层厚度为78μm,一次上机使用寿命最长.%The effects of nitriding times on extrusion die of aluminum alloy were analyzed by hardness testing,microstructure analysis and extrusion process.The results show that the three times of nitriding process of H13 die steel have the best hardness,and nitriding layer is 78 μm.Service life of extrusion of the die is the longest.【期刊名称】《铝加工》【年(卷),期】2018(000)001【总页数】5页(P47-50,19)【关键词】H13模具钢;氮化处理;性能;挤压【作 者】白云鹏;谭琳;唐荻;周龙;朱莹莹【作者单位】辽宁忠旺集团有限公司,辽宁辽阳111003;辽宁忠旺集团有限公司,辽宁辽阳111003;辽宁忠旺集团有限公司,辽宁辽阳111003;辽宁忠旺集团有限公司,辽宁辽阳111003;辽宁忠旺集团有限公司,辽宁辽阳111003【正文语种】中 文【中图分类】TG3790 前言H13钢是C-Cr-Mo-Si-V型钢，是一种应用极其广泛的热作模具钢，本厂生产的挤压模具多以H13模具钢为原料[1]。挤压铝型材的很多表面问题均与模具有关，模具工作带硬度和耐磨性不足会严重影响产品表面质量，因此需要对模具进行氮化处理以提高硬度和耐磨性。H13钢中有较多的Cr、Mo等元素，氮化时能生成稳定的氮化物并弥散分布，有利于提高H13钢的硬度、耐磨性、耐蚀性、抗粘结性及抗热疲劳性能[2～3]。因此恰当的氮化工艺不仅可以提高产品表面质量还可以提高生产效率。

本实验主要探究氮化次数对模具的影响，从成分、硬度和金相组织三方面对不同氮化次数的模具钢进行全面分析，并将不同氮化次数的模具钢进行上机挤压试验，综合两方面结果探究出最适合模具挤压的氮化次数。1 实验材料与方法1.1 实验材料本试验以5个10mm×10mm×10mm退火状态的H13模具钢试块及同批次H13模具钢为原料加工的三套相同模具为研究对象，成分如表1所示。使用瑞士ARLMA-283直读光谱仪、HVS-50维氏硬度计、蔡司AX10光学显微镜等设备进行检测。1.2 实验方法取其中1个模具钢试块进行成分、维氏硬度、金相分析，其余4个试块一同进行淬火+回火处理，分别对热处理后一次氮化、二次氮化、三次氮化后试样进行维氏硬度、金相观察。淬火、回火工艺参数如图1所示，氮化工艺如图2所示。在氮化过程中每分钟要滴60滴酒精，使氮化更充分，降温过程中关闭酒精。同时将三套模具分别进行一次氮化、二次氮化、三次氮化，氮化后进行挤压试验，分析模具单次使用寿命与挤压产品表面质量。图1 淬火工艺与回火工艺示意图图2 氮化工艺示意图表1 H13钢成分检测结果(质量分数/%)2 实验结果与讨论2.1 成分检测表1为模具钢成分检测结果，其结果符合国标要求，可以进行正常使用。2.2 硬度测试表2为不同状态下模具钢硬度检测结果。对比氮化与未氮化模具钢的硬度，氮化后的硬度有大幅度提高，是因为氮化后会在外表面形成一层硬度很大的氮化层，因此氮化后硬度大幅度提高。其中二次氮化、三次氮化硬度结果差异并不大，相比一次氮化提高约300HV。表2 H13钢硬度检测结果2.3 宏观分析退火后的模具钢主要为珠光体与粒状渗碳体组织，渗碳体分布均匀且无网状，退火组织比较理想。回火后的组织为回火马氏体，保持淬火后马氏体的片状形态，随着回火温度的升高，马氏体和残余奥氏体发生分解，渗碳体在板条界面弥散、均匀分布。氮化后的基体多数为回火索氏体组织即铁素体与渗碳体的复合组织，二次氮化后开始有向等轴状铁素体转化的过渡组织出现，三次氮化后铁素体以再结晶形式呈等轴状分布，如图3所示。

一次氮化后并没有明显的氮化层，只有一层很薄的硬而脆的白亮化合物层，厚度只有几微米左右;二次氮化后渗氮层厚度有了明显提高，渗氮层主要由两部分组成，即表面的致密氮化层及次表面疏松的扩散层，氮化层约为34μm，扩散层厚度约为45μm;三次氮化后渗氮层结构与二次氮化后渗氮层结构相同，氮化层厚度约为42μm，扩散层厚度约为36μm。通过计算可知，三次氮化后氮化层厚度(78μm)与二次氮化(79μm)相比厚度变化不大，但三次氮化的氮化层的致密度有所提高。图3 模具钢金相照片2.4 挤压验证图4为不同氮化次数模具挤压后型材表面。从表面看，三套模具挤压后表面均无明显的拉毛、颗粒、气泡、夹渣等缺陷，但表面机械纹和划伤程度各有优劣：一次氮化模具挤压后型材机械纹与划伤条纹较重;二次氮化模具挤压后型材机械纹与划伤条纹较轻;三次氮化模具挤压后型材无明显机械纹与划伤条纹，表面较好。这说明随着氮化次数的增加，氮化层厚度增加，工作带硬度增加，相对摩擦力减轻，因此挤压制品机械纹与划伤条纹会减轻，增加氮化次数有利于提高挤压型材表面质量。图4 不同氮化次数模具挤压型材表面通过不同氮化次数模具单次挤压寿命结果可知(见表3)，一到三次氮化模具挤压制品数量分别为42支、58支和75支。随着氮化次数增加，单次挤压寿命延长，说明随着氮化次数增加，氮化层厚度增加，工作带硬度增加、耐磨性增加，耐挤压性增强。表3 不同氮化次数模具单次挤压寿命挤压支数/支报废原因42机械纹重58机械纹重75表面划伤3 结论(1)退火状态的模具钢硬度为203HV，淬火+回火状态的模具钢硬度为527HV，一次氮化后硬度为962HV，二次氮化后硬度为1225HV，三次氮化后硬度为1270HV，氮化处理可大幅度提高模具硬度，且随着氮化次数增加，硬度会不同程度增加。(2)从金相结果分析，退火后的模具钢组织主要为珠光体与粒状渗碳体组织，回火后的组织为回火马氏体组织，氮化后的基体多数为回火索氏体组织。

(3)从渗氮层厚度分析，一次氮化后并没有明显的氮化层，只有几微米左右，二次氮化后氮化层约为34μm，扩散层厚度约为45μm，三次氮化后氮化层厚度约为42μm，扩散层厚度约为36μm。(4)一次氮化模具挤压后型材机械纹与划伤条纹较重，二次氮化模具挤压后型材机械纹与划伤条纹较轻，三次氮化模具挤压后型材无明显机械纹与划伤条纹，表面较好。参考文献【相关文献】[1] 肖亚庆，谢水生，刘静安，等.铝加工实用技术手册[M].北京：冶金工业出版社，2005[2] 仇芝蓉.铝型材挤压模具分析[J].冶金丛刊，1998(5)：47-50[3] 郭志斌.铝合金型材H13钢挤压模具氮化工艺优选[J].模具技术，2010(1)：59-63

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氮化次数对铝合金挤压模具的影响

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氮化次数对铝合金挤压模具的影响

白云鹏;谭琳;唐荻;周龙;朱莹莹

【摘 要】通过对一次、二次、三次氮化的H13模具钢硬度比较、组织观察、挤压生产结果的对比,分析氮化次数对H13模具钢性能与组织的影响.结果表明,三次氮化的模具硬度最高,氮化层厚度为78μm,一次上机使用寿命最长.%The effects of nitriding times on extrusion die of aluminum alloy were analyzed by hardness testing,microstructure analysis and extrusion process.The results show that the three times of nitriding process of H13 die steel have the best hardness,and nitriding layer is 78 μm.Service life of extrusion of the die is the longest.

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【期刊名称】《铝加工》

【年(卷),期】2018(000)001

【总页数】5页(P47-50,19)

【关键词】H13模具钢;氮化处理;性能;挤压

【作 者】白云鹏;谭琳;唐荻;周龙;朱莹莹

【作者单位】辽宁忠旺集团有限公司,辽宁辽阳111003;辽宁忠旺集团有限公司,辽宁辽阳111003;辽宁忠旺集团有限公司,辽宁辽阳111003;辽宁忠旺集团有限公司,辽宁辽阳111003;辽宁忠旺集团有限公司,辽宁辽阳111003

渗氮是在合适的温度(450-600℃)下将金属置于含氮介质中，将氮原子渗入铁合金表面而实现的表面硬化技术。氮化工艺覆盖的钢种很宽，几乎所有的钢牌号到铸铁都可以用得上。但不同材料氮化后的性能又千差万别，本文对常见氮化材料进行分类并对其氮化特性作一个简单的介绍。

中低碳钢

典型材料为SPCC、08F、10钢和45钢等。

中低碳钢中由于没有生成合金氮化物的合金元素，其氮化后表面硬度并不高。以低碳钢为例，一般氮化后表面硬度为200HV左右，但经氮碳共渗后根据气氛种类和处理温度的不同其表面硬度一般可达300-600HV，其表面也较容易获得10-25um厚的白亮层。故对中低碳钢而言，一般不单纯只作渗氮处理而是采用氮碳共渗。

SPCC经氮碳共渗处理

普通合金钢

典型材料为Cr-Mo系和Cr-Mo-V系等渗氮钢。

由于Cr、Mo、V等合金元素的加入，使得这类渗氮钢具有优异的力学性能和更好的工艺性，广泛适用于对表面硬度要求不太高(≤850HV)，耐磨性和抗冲击性能更高的场合。

需要注意的是，对常用的合金元素来说，Ni是非氮化物形成元素。这也是有些炉子厂家在设计氮化炉时采用Inconel600作为炉罐材质的原因之一，其高镍的化学成分避免了炉罐对NH3的催化裂解作用。

31CrMoV9无白层氮化

模具钢

典型材料为4Cr5MoSiV1等。

4Cr5MoSiV1钢(相当于美国AISI H13钢)是国际上广泛应用的一种热作模具钢。为了适当提高模具的抗磨损能力及提高铝合金压铸模的抗黏附性能力，常对模具施行渗氮或氮碳共渗处理。由于合金元素含量较高，一方面对氮化后表面硬度的提高较为显著，一般可达1000HV以上，但同时合金元素对氮扩散阻碍作用较大，一般白层厚度不超过10um，氮化层深一般不超过0.3mm。

H13气体渗氮

工具钢

典型材料为6542、DC53等。168排行

一般用作高速钢刀具、钻头以及搓丝用模。钢中含有大量与氮有亲和力的合金元素，渗氮后表面硬度和耐磨性都明显提高。但是渗氮时间过长，就会在表面出现化合物层并在扩散层中出现大量网状氮化物，使得渗层脆性变得很大，导致刀具或模具崩刃、崩牙。故这类材料一般用作短时无白层渗氮工艺，渗氮层总深度控制在0.02-0.1mm范围内。

DC53短时氮化

不锈钢

典型材料1Cr13、2Cr13、3Cr13、304等。

不锈钢渗氮目前有两大难点：其一，不锈钢的Cr、Ni等元素与氧形成的钝化膜，如未在渗氮前将其去除则它们将有力地阻止氮化过程。故不锈钢氮化首先要进行破膜工序。其二，常规不锈钢氮化后将析出CrN相，由于CrN的电极电位比Cr的电极电位要低，故不锈钢氮化后其耐蚀性能会有所降低。故近些年兴起的低温不锈钢氮化技术，经低温(<450℃)渗氮处理，避免了CrN相的析出，在表层主要形成S相，合金表面的硬度高，而且具有很高的抗点蚀和抗缝隙腐蚀性能。

316钢低温渗氮后表面S相

铸铁

典型材料QT500、QT600、HT200 、HT250等。

由于铸铁中C、Si的含量较高，氮扩散阻力较大，一般只做软氮化。要达到与钢同样的渗氮层浓度，渗氮时间需乘以1.5-2的系数。铸铁中含有较高含量的Si而生成Si3N4提高其硬度，一般软氮化后的表面硬度为500-700HV。由于铸铁基体存在大量的片状、球状石墨，导致软氮化后表面得不到连续白亮层，其耐蚀性要差于普通钢软氮化。

球墨铸铁白亮层被石墨隔开

无论是渗氮还是氮碳共渗，均需对氮势进行精确的测量和控制。对精密可控渗氮而言，能对合金钢、渗氮钢的白亮层厚度进行控制，达到AMS2759/10A规定的0类和1类标准。对精密可控氮碳共渗而言，能对碳钢、合金钢和铸铁白层的疏松进行控制，达到AMS2759/12A规定的1类标准。

自动流量补偿型氮控系统- 武汉华敏自主研发的智能氮势控制系统无论是在合金钢的无白层氮化或氮碳共渗白亮层疏松的控制积累了大量的经验并在客户现场均有已实施的案例可供参考，可提供氮化工艺的整体解决方案。

氮化硼可用于制造熔炼半导体的坩埚及冶金用高温容器、半导体散热绝缘零件、高温轴承、热电偶套管及玻璃成形模具等。

通常制得的氮化硼是石墨型结构，俗称为白色石墨。另一种是金刚石型，和石墨转变为金刚石的原理类似，石墨型氮化硼在高温(1800℃)、高压(800Mpa)下可转变为金刚型氮化硼。这种氮化硼中B-N键长(156pm)与金刚石在C-C键长(154pm)相似，密度也和金刚石相近，它的硬度和金刚石不相上下，而耐热性比金刚石好，是新型耐高温的超硬材料，用于制作钻头、磨具和切割工具。