氮化與軟氮化在模具表面強化處理中的運用

宋帆

（陜西長嶺電氣有限責任公司，陜西 寶雞 721006）

氮化與軟氮化在模具表面強化處理中的運用

宋帆

（陜西長嶺電氣有限責任公司，陜西 寶雞 721006）

本文從氮化與軟氮化概念分析入手，明確了氮化與軟氮化的過程和原理，之后探討了氮化與軟氮化在熱作模具、冷作模具以及橡塑模具等模具表面強化處理中的應用，旨在為相關模具表面強化處理實踐提供參考。

氮化；軟氮化；模具；表面強化

0　引言

氮化與軟氮化技術是模具表面強化的重要手段，對于提升模具使用性能、延長模具使用壽命有著重要的作用。基于以上，本文從氮化與軟氮化的概念著手，探討了其在模具表面強化處理中的應用要點。

1　氮化與軟氮化概述

氮化處理即滲氮處理，指的是將已經調質和加工完成的零件放置到氨氣等含氮介質中，保持在500~540℃環境下一定的時間，實現介質分解，生成活性氮原子，氮原子深入到零件的表面層，從而在零件表面形成一定深度的擴散層和一定厚度的白亮層，實現零件表面強化的作用。

軟氮化指的是氮碳共滲，以氮化處理為基礎，在滲氮介質中加入一定量的弱滲碳劑，在滲氮的額基礎上，實現碳原子向零件表面層的深入，將滲氮與滲碳結合。經過軟氮化處理后，擴散層和白亮層中深入了碳原子，能夠增加滲速，降低白亮層脆性，優化零件表面強化效果。

氮化與軟氮化有著一定的區別，在軟氮化處理過程中，將將含碳物質作為弱滲碳劑添加到介質中，分解出的碳能夠在碳化物相中溶解，從而降低化合物層脆性，提升硬度。就目前來看，二氧化碳、甲醇等是應用比較廣泛的碳元素添加劑，這兩種碳元素添加劑的應用效果有著一定的差異性，其中甲醇對于爐氣中的氮勢有著降低的作用，而二氧化碳對爐氣中的氮勢則有著增加的作用。

2　氮化與軟氮化在模具表面強化處理中的運用

2.1在熱作模具中的運用

對金屬或液態金屬進行加熱，保證溫度達到其再結晶溫度之上，對熔融態金屬進行壓制，制得金屬型材或相關金屬工件，這個過程中利用的模具就是熱作模具，常見的熱作模具主要包括有色金屬壓鑄模具、熱擠壓模具、熱鍛壓模具以及熱沖壓模具等等，熱作模具的工作溫度通常在700℃以上，其中熱鍛模具的工作溫度能夠達到1 000℃以上[1]，模具與加熱后的金屬或液態金屬接觸，其工作環境相對惡劣，會受到極冷極熱作用的影響，在這樣的背景下，模具受到的交變應力作用是十分復雜的，很容易出現模具龜裂或局部塌陷等問題，從而對壓制效果產生不良影響。

通過滲氮、多元共滲、軟氮化等處理之后，熱作模具表面的熱硬性以及抗腐蝕能力提升，同時在模具表面會形成壓應力，這就能夠有效提升模具的抗疲勞特性，實現模具表面強化的效果。由此可見，對于上述熱作模具來說，氮化與軟氮化處理的應用都能夠對模具表面起到強化作用，對于提升模具的使用壽命有著積極的意義，下面以三種熱作模具為例進行具體分析。

2.1.1熱鍛模具

對于熱鍛工藝來說，其對模具的強度、硬度、抗變形能力、抗沖擊破壞能力等有著較高的要求。可以采用短時氮化或軟氮化處理的方式來強化模具表面，降低模具表面與鍛件之間的摩擦，提升滑動性能，以此可降低粘附、熱膠著以及咬合等問題的發生概率。

此外，氮化與軟氮化處理還能夠提升熱鍛模具的抗氧化性和耐磨性，在對熱鍛模具進行氮化處理或軟氮化處理之后，為了消除應力松弛化問題，還可以盡心重復氮化處理，提升熱鍛模具的使用壽命。據相關研究顯示，氮化和軟氮化后的熱鍛模具壽命能夠提升3~10倍之間。

2.1.2鋁型材模具

對于鋁型材模具來說，內孔磨損和拉傷等問題的出現可能導致模具失效，對鋁型材模具進行軟氮化處理之后，可以在內孔工作面形成化合物層，化合物層厚度可達10 μm以上，硬度可達1 000 HV以上，這就大大提升了鋁型材模具內孔的耐磨性，使得模具與鋁材之間的摩擦系數降低，有效避免了內孔磨損和拉傷等問題的出現。在軟氮化處理過程中需要注意的是，在對鋁型材模具進行軟氮化處理之后，模塊心部的應當能夠達到50HRC以上，這就對采用H13制造的熱擠壓磨具軟氮化處理提出了更高的要求，在軟氮化處理之前需要進行淬火+高溫處理。

2.1.3壓鑄模具

壓鑄模具一般為鋁合金壓鑄模，在預處理的過程中，需要進行1 020~1 050℃的淬火處理，之后進行560~600℃的回火處理，其硬度保持在40~45 HRC之間，在經過以上熱處理之后，對模具進行軟氮化處理，在壓鑄模具表面會形成三層物質，分別是較淺的氧化膜、厚度在10 μm左右的化合物層以及一定深度的擴散層，模具此時的表面硬度能夠達到900 HV左右，實現了表面強化作用。

此外，在進行氧氮化處理之后，壓鑄模具表面會形成900 MPa的壓應力，有效解決了粘膜傾向的問題，對于模具表面抗熱疲勞能力和耐磨性能的提升有著積極的意義，在冷熱循環過程中在模具表面出現裂紋，從而提升壓鑄模具的使用壽命[2]。

2.2在冷作模具中的運用

從理論上來看，對于沖制鋼板的沖裁模具來說，其在工作的過程中受到的沖擊作用較大，因此不適合進行氮化處理或軟氮化處理。但一些特殊的冷作模具則可以進行氮化處理或軟氮化處理來實現表面強化[3]。例如沖制有色金屬板材或絕緣板材的沖裁模具就可以進行軟氮化處理，而流線型壓型模具以及搓絲板模具在工作的過程中受到的載荷比較平穩，因此也可以進行軟氮化處理。

2.3在橡塑模具中的運用

橡塑模具主要指的是壓制水杯、電器開關等橡塑制品成型的模具，橡塑模具在工作的過程中會與壓制坯料產生摩擦作用，導致模具表面磨損。

對于像素材料來說，其內部含有一定的輔助材料，例如填充劑等，而在熱狀態下，這些輔助材料對于模具有著一定的腐蝕作用，在200~400℃工作環境下，會導致橡塑模具出現磨損、腐蝕以及粘模等問題。對橡塑模具的服役條件和失效形式進行分析可以發現，橡塑模具對于強度的要求不高，其對于硬度的要求主要是為了提升橡塑模具表面的耐磨性能。

因此，一般橡塑模具的材質大部分為碳素鋼結構或低合金結構鋼，這些材料價格低廉，在對模具進行氮化處理或軟氮化處理之后，能夠在模具表面形成白層，這就有效提升了橡塑模具的耐磨性、抗粘著能力以及抗腐蝕能力，此外，橡塑模具也可以在修模之后進行重復軟氮化處理，大大延長了模具的使用壽命，提升了模具的使用效益。

對于熱固性塑料來說，在壓制的過程中其會對模具表面產生嚴重的摩擦，導致工作面拉毛、型腔表面粗糙等問題的出現，需要進行頻繁的打磨和拋光，這就降低型腔的幾何精度，加速了模具的失效。許多塑料中含有固體無機填充材料，例如硅砂、云母粉以及玻璃纖維等，這也會加劇磨損。

一些塑料中含有氟和氯等元素，在加熱的條件下會析出HCL和HF等強腐蝕性的氣體，這就對模具表面產生了腐蝕作用，利用軟氮化進行處理則可以形成一定厚度的白亮層，提升了模具表面的抗腐蝕性，實現了表面強化效果，延長模具使用壽命。

3　結論

綜上所述，氮化與軟氮化是模具表面強化處理的重要手段，其在熱作模具、冷作模具以及橡塑模具等模具的表面強化處理中都有著重要的運用，且強化處理效果良好，能夠有效提升模具的使用性能，延長模具的使用壽命。

[1] 孫睿，鄒春華. 氮化與軟氮化在模具表面強化處理方面的應用分析[J]. 模具制造，2015,02:77~82.

[2] 高原. 新型高Cr熱作模具鋼表面軟氮化處理對熱疲勞和高溫磨損的影響[D].吉林大學，2011.

[3] 姬金金. 熱鍛模具表面噴丸滲氮強化研究[D].重慶大學，2013.

TG174.445

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1671-0711（2016）09（上）-0096-02