氮化与软氮化在模具表面强化处理中的运用

2016-02-05宋帆

中国设备工程 2016年11期

关键词：热作热锻压铸模

宋帆

（陕西长岭电气有限责任公司，陕西宝鸡 721006）

氮化与软氮化在模具表面强化处理中的运用

宋帆

（陕西长岭电气有限责任公司，陕西宝鸡 721006）

本文从氮化与软氮化概念分析入手，明确了氮化与软氮化的过程和原理，之后探讨了氮化与软氮化在热作模具、冷作模具以及橡塑模具等模具表面强化处理中的应用，旨在为相关模具表面强化处理实践提供参考。

氮化；软氮化；模具；表面强化

0　引言

氮化与软氮化技术是模具表面强化的重要手段，对于提升模具使用性能、延长模具使用寿命有着重要的作用。基于以上，本文从氮化与软氮化的概念着手，探讨了其在模具表面强化处理中的应用要点。

1　氮化与软氮化概述

氮化处理即渗氮处理，指的是将已经调质和加工完成的零件放置到氨气等含氮介质中，保持在500~540℃环境下一定的时间，实现介质分解，生成活性氮原子，氮原子深入到零件的表面层，从而在零件表面形成一定深度的扩散层和一定厚度的白亮层，实现零件表面强化的作用。

软氮化指的是氮碳共渗，以氮化处理为基础，在渗氮介质中加入一定量的弱渗碳剂，在渗氮的额基础上，实现碳原子向零件表面层的深入，将渗氮与渗碳结合。经过软氮化处理后，扩散层和白亮层中深入了碳原子，能够增加渗速，降低白亮层脆性，优化零件表面强化效果。

氮化与软氮化有着一定的区别，在软氮化处理过程中，将将含碳物质作为弱渗碳剂添加到介质中，分解出的碳能够在碳化物相中溶解，从而降低化合物层脆性，提升硬度。就目前来看，二氧化碳、甲醇等是应用比较广泛的碳元素添加剂，这两种碳元素添加剂的应用效果有着一定的差异性，其中甲醇对于炉气中的氮势有着降低的作用，而二氧化碳对炉气中的氮势则有着增加的作用。

2　氮化与软氮化在模具表面强化处理中的运用

2.1在热作模具中的运用

对金属或液态金属进行加热，保证温度达到其再结晶温度之上，对熔融态金属进行压制，制得金属型材或相关金属工件，这个过程中利用的模具就是热作模具，常见的热作模具主要包括有色金属压铸模具、热挤压模具、热锻压模具以及热冲压模具等等，热作模具的工作温度通常在700℃以上，其中热锻模具的工作温度能够达到1 000℃以上[1]，模具与加热后的金属或液态金属接触，其工作环境相对恶劣，会受到极冷极热作用的影响，在这样的背景下，模具受到的交变应力作用是十分复杂的，很容易出现模具龟裂或局部塌陷等问题，从而对压制效果产生不良影响。

通过渗氮、多元共渗、软氮化等处理之后，热作模具表面的热硬性以及抗腐蚀能力提升，同时在模具表面会形成压应力，这就能够有效提升模具的抗疲劳特性，实现模具表面强化的效果。由此可见，对于上述热作模具来说，氮化与软氮化处理的应用都能够对模具表面起到强化作用，对于提升模具的使用寿命有着积极的意义，下面以三种热作模具为例进行具体分析。

2.1.1热锻模具

对于热锻工艺来说，其对模具的强度、硬度、抗变形能力、抗冲击破坏能力等有着较高的要求。可以采用短时氮化或软氮化处理的方式来强化模具表面，降低模具表面与锻件之间的摩擦，提升滑动性能，以此可降低粘附、热胶着以及咬合等问题的发生概率。

此外，氮化与软氮化处理还能够提升热锻模具的抗氧化性和耐磨性，在对热锻模具进行氮化处理或软氮化处理之后，为了消除应力松弛化问题，还可以尽心重复氮化处理，提升热锻模具的使用寿命。据相关研究显示，氮化和软氮化后的热锻模具寿命能够提升3~10倍之间。

2.1.2铝型材模具

对于铝型材模具来说，内孔磨损和拉伤等问题的出现可能导致模具失效，对铝型材模具进行软氮化处理之后，可以在内孔工作面形成化合物层，化合物层厚度可达10 μm以上，硬度可达1 000 HV以上，这就大大提升了铝型材模具内孔的耐磨性，使得模具与铝材之间的摩擦系数降低，有效避免了内孔磨损和拉伤等问题的出现。在软氮化处理过程中需要注意的是，在对铝型材模具进行软氮化处理之后，模块心部的应当能够达到50HRC以上，这就对采用H13制造的热挤压磨具软氮化处理提出了更高的要求，在软氮化处理之前需要进行淬火+高温处理。

2.1.3压铸模具

压铸模具一般为铝合金压铸模，在预处理的过程中，需要进行1 020~1 050℃的淬火处理，之后进行560~600℃的回火处理，其硬度保持在40~45 HRC之间，在经过以上热处理之后，对模具进行软氮化处理，在压铸模具表面会形成三层物质，分别是较浅的氧化膜、厚度在10 μm左右的化合物层以及一定深度的扩散层，模具此时的表面硬度能够达到900 HV左右，实现了表面强化作用。

此外，在进行氧氮化处理之后，压铸模具表面会形成900 MPa的压应力，有效解决了粘膜倾向的问题，对于模具表面抗热疲劳能力和耐磨性能的提升有着积极的意义，在冷热循环过程中在模具表面出现裂纹，从而提升压铸模具的使用寿命[2]。

2.2在冷作模具中的运用

从理论上来看，对于冲制钢板的冲裁模具来说，其在工作的过程中受到的冲击作用较大，因此不适合进行氮化处理或软氮化处理。但一些特殊的冷作模具则可以进行氮化处理或软氮化处理来实现表面强化[3]。例如冲制有色金属板材或绝缘板材的冲裁模具就可以进行软氮化处理，而流线型压型模具以及搓丝板模具在工作的过程中受到的载荷比较平稳，因此也可以进行软氮化处理。

2.3在橡塑模具中的运用

橡塑模具主要指的是压制水杯、电器开关等橡塑制品成型的模具，橡塑模具在工作的过程中会与压制坯料产生摩擦作用，导致模具表面磨损。

对于像素材料来说，其内部含有一定的辅助材料，例如填充剂等，而在热状态下，这些辅助材料对于模具有着一定的腐蚀作用，在200~400℃工作环境下，会导致橡塑模具出现磨损、腐蚀以及粘模等问题。对橡塑模具的服役条件和失效形式进行分析可以发现，橡塑模具对于强度的要求不高，其对于硬度的要求主要是为了提升橡塑模具表面的耐磨性能。

因此，一般橡塑模具的材质大部分为碳素钢结构或低合金结构钢，这些材料价格低廉，在对模具进行氮化处理或软氮化处理之后，能够在模具表面形成白层，这就有效提升了橡塑模具的耐磨性、抗粘着能力以及抗腐蚀能力，此外，橡塑模具也可以在修模之后进行重复软氮化处理，大大延长了模具的使用寿命，提升了模具的使用效益。

对于热固性塑料来说，在压制的过程中其会对模具表面产生严重的摩擦，导致工作面拉毛、型腔表面粗糙等问题的出现，需要进行频繁的打磨和抛光，这就降低型腔的几何精度，加速了模具的失效。许多塑料中含有固体无机填充材料，例如硅砂、云母粉以及玻璃纤维等，这也会加剧磨损。

一些塑料中含有氟和氯等元素，在加热的条件下会析出HCL和HF等强腐蚀性的气体，这就对模具表面产生了腐蚀作用，利用软氮化进行处理则可以形成一定厚度的白亮层，提升了模具表面的抗腐蚀性，实现了表面强化效果，延长模具使用寿命。