第二节模具表面的化学热处理技术
二、渗氮
向金属表面渗入氮元素的工艺称为渗氮，通常也称 为氮化。
钢渗氮后可以获得比渗碳更高的表面硬度和耐磨 性，渗氮后的表面硬度可以高达HV950—1200(相 当于HRC65～72)，而且到600℃仍可维持相当高 的硬度。渗氮还可获得比渗碳更高的弯曲疲劳强 度．此外，由于渗氮温度较低(500一570℃之间)， 故变形很小．渗氮也可以提高工件的抗腐蚀性 能．但是渗氮工艺过程较长，渗层也较薄，不能承 受太大的接触应力。目前主要应用于压铸模、挤压 模、冷作模具等.
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渗氮的缺点
工艺复杂，成本高，氮化层薄。因而主要 用于耐磨性及精度均要求很高的零件，或要求 耐热、耐磨及耐蚀的零件。例如精密机床丝杠、 镗床主轴、气轮机阀门和阀杆、精密传动齿轮 和轴、发动机汽缸和排气阀以及热作模具等。
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1、气体渗氮
气体渗氮在密闭的渗氮罐内进行。工件放入用镍铬不 锈、耐热钢等制成的渗氮罐内，用铬矿砂等进行密封。 通入经过干燥箱、流量计的氨气，氨气在380℃以上会 分解出活性氮原子渗入工件表面，废气通过排气管，泡 泡瓶排出炉外。一般炉内要保持30—50mm油柱的压 力。工件装入渗氮罐，密封并在加热炉内加热同时，立 即向渗氮罐内通入氨气。冷却时应随炉冷却，至炉温降 至200℃以下，停氨，出炉，开箱。
模具通过不同的表面处理方法，可以只改变 模具表层的化学成分、组织、性能，从而大幅 度地改善和提高模具的表面性能。如硬度、耐 磨性、摩擦性能、脱模性能、隔热性能、耐腐 蚀和高温抗氧化性能、提高型腔表面抗擦伤能 力、脱模能力、抗咬合性能等，数倍、甚至几 十倍地提高模具使用寿命。这对于提高模具质 量，大幅度降低生产成本，提高生产效率和充 分发挥模具材料的潜能都具有重大意义。
另一种是无氰液体渗碳，主要盐浴成分是氯化钠、氯 化钾和碳酸钠，加上经过加工制作的渗碳剂：碳粉、碳 化硅和尿素。
4、离子渗碳
采用甲烷或其它渗碳气 体和氢气的混合气作为辉 光放电的气体介质，在渗 碳温度（例如930℃）下， 利用辉光放电对工件表面 进行离子渗碳。
离子渗碳比气体渗碳方 法快得多。离子渗碳后， 应进行直接淬火，故在炉 内应有直接冷却装置。
（2）60Si2钢制冷墩螺钉冲头，采用预先 渗氮、短时碳氮共渗、直接淬油、低温淬火及 较高温度回火处理工艺，可改善心部韧性，提
高冷墩冲头寿命2倍以上。
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三、钢的碳氮共渗
在钢的表面同时渗入碳和氮的化学热处理 工艺称为碳氮共渗。
目的
对低碳结构钢、中碳结构钢以及不锈钢等，为 了提高其表面硬度、耐磨性及疲劳强度，进行 820—850℃碳氮共渗。中碳调质钢在570— 600℃温度进行碳氮共渗，可提高其耐磨性及疲 劳强度，而高速钢在550—560℃碳氮共渗的目 的是进一步提高其表面硬度、耐磨性及热稳定性。
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气体渗碳炉
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气体渗碳的优点
可以通过控制系统控制 富化气送入量或渗剂的滴入 量，以改变炉气的碳势，从 而控制零件表面的含碳量， 渗碳速度比固体渗碳快，质 量好。
气体渗碳适用于大批量 生产，易于控制质量和自动 化，劳动条件好。
气体渗碳装炉示意图
气体渗氮的特点 生产周期长、渗氮速度慢、效率
低、费用高、对材料要求严。
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2、离子氮化
利用稀薄气体的辉光放电现象加热工件表面和 电离化学热处理介质，使之实现在金属表面渗入 欲渗元素的工艺称为辉光放电离子化学热处理， 简称离子化学热处理。因为在主要工作空间内是 等离子体，故又称等离子化学热处理。在离子轰 击作用下，从阴极表面冲击出铁原子，与等离子 区的氮离子及电子结合而成FeN．此FeN被工件 表面吸附，在离子轰击作用下，逐渐分解为低价 氮化物和氮原子，氮原子就向内部渗入及扩散。
第七章 模具表面处理技术
第一节 模具表面处理概述
一、模具表面处理的意义
模具在现代生产中是生产各种工业产品的重要工艺装 备。随着社会经济的发展，特别是汽车、家电工业、航 空航天的迅猛发展，对模具工业提出了更高的要求。如 何提高模具的质量、使用寿命和降低生产成本成为当前 迫切需要解决的问题。
模具在工作中除了要求基体具有足够高的强度和韧性 的合理配合外，其表面性能对模具的工作性能和使用寿 命至关重要。模具性能的改善，单纯依赖基体材料的改 进和提高是非常有限的，也是不经济的，而通过表面处 理技术，往往可以收到事半功倍的效果，这也正是表面 处理技术在模具生产中得到迅速发展的原因。
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3、液体渗碳
把零件浸入含有活性碳原子的熔融盐浴中进行渗碳 的方法。
盐浴的主要成分有氰化钠、氯化钠、碳酸钠和氯化钡 等。各种盐的成分可通过不同温度加以调节。一般薄层 渗碳多采用低温（850～900℃）、低浓度氰化物盐浴 （也称液体氰化或液体碳氮共渗）。深层渗碳多采用较 高温度(900～950℃),氰化物含量为6～16％。
渗金属方法和渗硼法相类似，根据所用渗剂聚 集状态不同，可分固体法、液体法及气体法。
1、固体法渗金属
最常用的是粉末包装法，把工件、粉末状的渗剂、 催渗剂和防烧结剂共同装箱、密封、加热扩散而得。 这种方法的优点是操作简单，无需特殊设备，小批 生产应用较多，如渗铬、渗钒等。缺点是产量低， 劳动条件差，渗层有时不均匀，质量不易控制等。
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渗氮层脆性的评定
脆性等级分成四级， I级不脆，压痕完整无 缺；Ⅱ级略脆，压痕 边缘略有崩碎；Ⅲ级， 脆，压痕边缘崩碎较 大；Ⅵ级极脆，，压 痕边严重脆。通常I、 Ⅱ级为合格．检查时 一般都用标准级别图 对照定级。
应用
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（1）Cr12MoV钢制钢板弹簧孔冲孔凹模， 经气体氮碳共渗和盐浴渗钒处理后，可使模具 寿命提高3倍。
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5、真空渗碳
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真空渗碳炉是将工件放 置在真空炉内通过不断的向 炉内充入渗碳气氛，使碳原 子渗入工件表面。
与气体渗碳相比真空渗 碳温度高（约1100℃）， 渗碳速度快，质量好。
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双室真空渗碳淬火炉
双室真空渗碳淬火炉结构示意图
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2、盐浴渗硼
常用盐浴成分有下列三种： (1) 60％硼砂十40％碳化硼或硼铁；， (2) 50—60％硼砂+40—50％S1C； (3) 45％BaCI+45％NaCI+10％B4C或硼铁。
盐浴渗硼同样具有设备简单，渗层结构易于控制 等优点。但有盐浴流动性差，工件粘盐难以清理等缺 点。一般盐浴渗硼温度采用950—1000℃，渗硼时 间根据渗层深度要求而定，一般不超过6小时。因为 时间过长，不仅渗层增深缓慢，而且使渗硼层脆性增 加。
模具的表面处理技术，是通过表面涂覆、表面改 性或复合处理技术，改变模具表面的形态、化学成 分、组织结构和应力状态，以获得所需表面性能的 系统工程。
在模具上使用的表面技术方法多达几十种，主要可 以归纳为化学表面处理法、物理表面处理法和表面 覆层处理法。从表面处理的方式上，又可分为：化 学方法、物理方法、物理化学方法和机械方法。虽 然提高模具表面性能新的处理技术不断涌现，但在 模具制造中应用较多的主要是渗氮、渗碳和硬化膜 沉积技术。
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固体渗碳的优缺点
固体渗碳可以在各种加热炉中进行，简单易 行，但质量不易控制，渗碳速度慢，生产周 期长，工人劳动条件差。
2、气体渗碳
气体渗碳是工件在气体介 质中进行碳原子渗入工件 表面的热处理方法。
渗碳气体以煤油、苯、 丙酮或醋酸乙酯作为强渗 剂，用甲醇、乙醇作为稀 释剂。这些液体滴入炉内 后在高温下汽化、分解产 生成分稳定的渗碳气体。
渗硼后的热处理
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对心部强度要求较高的零件，渗硼后还
需进行热处理。由于FeB相、Fe2B相和基体 的膨胀系数差别很大,加热淬火时，硼化物不 发生相变，但基体发生相变。因此渗硼层容易 出现裂纹和崩落。这就要求尽可能采用缓和的 冷却方法，淬火后应及时进行回火。
五、渗金属
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渗硼方法
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渗硼法有固体渗硼、液体渗硼及气体渗硼。但由 于气体渗硼采用乙硼烷或三氯化硼气体，前者不稳定易 爆炸，后者有毒，又容易分解，因此较少采用。现在生 产上采用的是粉末渗硼和盐浴渗硼。
1、固体渗硼法
目前最常用的是用下列配方的粉末渗硼法：5％ KBF4+5％B4C+90％SiC+Mn-Fe。把这些物质的粉 末和匀装入耐热钢板焊成的箱内，工件以一定的间隔 (20一30mm)埋入渗剂内，盖上箱盖，在900— 1000℃的温度保温1—5小时后，出炉随箱冷却即可。
模具的渗碳工艺有固体渗碳、液体渗碳、气体渗 碳、真空渗碳、离子渗碳等。
1、固体渗碳
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固体渗碳是将工件置于木碳和催渗剂组成的 渗碳剂的密封箱中（一般采用黄泥或耐火粘土密 封）保温，在渗碳温度加热保温使碳原子渗入工 件表面。
固体渗碳时，由于固体渗碳剂的导热系数很 小，传热很慢，更由于渗碳箱尺寸往往又不相同， 即使是尺寸相同，可是工件大小及装箱情况（渗 碳剂的密实度，工件间的距离等）也不全相同， 因而渗碳加热时间对渗层深度的影响往往不能完 全确定。因此，在生产中常用试棒来检查其渗碳 效果。
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渗剂中各部分的作用
B4C为硼的来源，KBF4是催渗剂，SiC是填充 剂，Mn-Fe则起到使渗剂渗后松散而不结块的作 用。一般渗硼后冷至室温开箱时，渗剂松散，工 件表面无结垢等现象，无需特殊清理。由于固体 渗硼法无需特殊设备，操作简单，工件表面清洁， 已逐渐成为最有前途的渗硼方法。