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模具鋼百科
模具鋼氮化缺陷的原因分及解決方法
來源: | 作者:13963813331 | 發布時間: 2020-06-18 | 288 次瀏覽 | 分享到:
模具鋼氮化缺陷的原因分及解決方法
  模具鋼氮化缺陷的原因分及解決方法
  模具鋼
  缺陷:氮化層易碎、起泡、剝落和破裂。
  
  (1)原因分析。原材料具有帶狀結構,非金屬夾雜物嚴重超標。模具設計不當,形狀復雜,厚度不均勻,邊緣更尖銳,表面積更大,各方面活性[N]原子同時浸潤,氮濃度高,形成ζ脆性相,結合力弱。氮化介質太活潑,表面吸收大于擴散,過量的活潑氮原子積累在金屬表面,表層氮濃度過高,超過11%,形成脆性相。由于ξ相濃度高,浸滲層陡峭,滲氮層與基體的結合力大大減弱,容易起泡。滲后冷卻速度過快,在外力和大內應力的共同作用下,滲氮層剝落并開裂。NH3氣體含水量過高、分解率不足、強滲透期溫度過高、時間過長或原料結構粗糙、表面脫碳層去除等。將導致金屬表面層中過量的氮濃度、過陡的氮化層以及與襯底的不良結合,導致氮化層的脆性大和韌性差。模具在使用過程中,在外力的作用下,氮化層會起泡、疲勞剝落和開裂失效。
  
  (2)解決方案。選擇無帶狀組織、雜質少、晶粒細小、碳化物小、化學成分和組織均勻、無微觀和宏觀冶金缺陷精煉模具鋼,形成原料,破壞帶狀組織,細化晶粒和均勻組織,改變非金屬夾雜物的形貌,消除偏析,使原料細化并均勻分布在鋼基體上;改進了模具設計,使其盡可能對稱且厚度均勻。尖角的銳邊變成半圓角,以削弱活性[N]原子的積累,避免應力集中??刂芅H3的供給和分解速率,維持爐內正壓,促使活性[N]原子的擴散速率略高于金屬表面的吸收率,避免氮濃度超過11% N,消除高濃度ζ脆性相;NH3流速越高,在爐中停留時間越長,NH3分解速率越高,NH3分解速率應控制在30%-40%之間;頻繁更換干燥劑,每爐更換一次,確保NH3氣體中的水分≤0.015%+H2O;采用精密多級溫度控制,溫度控制精度≤1.5℃;確保模具的工作表面粗糙度Ra為0.21 μm;選用輝光離子滲氮等新技術和新工藝,縮短強滲氮時間,延長擴散時間,降低滲氮層的氮濃度,使滲氮層均勻,氮濃度和硬度梯度從表面向內平滑。上述措施可消除滲氮層的ζ脆性相和起泡開裂,提高滲氮層的韌性,提高滲氮層與基體的結合力,具有很強的抗沖擊性和抗剝落性,延長模具的使用壽命。修復時將氮化表面清洗干凈后,放入550℃~560℃的氮化爐中10~15h,在NH3分解率較低的氣氛中擴散,然后進行金相檢驗,達到質量標準。
  
  缺陷:魚骨狀氮化物
  
  (1)原因分析。因為NH3氣體含有太多的水,含有太多的雜質,并且具有太低的分解率,所以在爐中產生負壓,并且外部空氣被注入到罐中,導致模具的氧化和脫碳。原材料的原始結構中大量的游離鐵素體沒有被消除,這促進了模具氮化后形成具有高氮濃度的極脆魚骨狀氮化物。當結晶器鋼錠從1000-1200℃的高溫奧氏體狀態緩慢冷卻并長時間擴散時,游離鐵素體沿奧氏體晶界和新鮮表面以細小的晶格狀析出,晶粒粗大,不能消除正火和淬火回火處理,滲氮過程中殘留大塊鐵素體。由于鐵索體在金屬表面具有極強的吸氮能力,氮元素富集,導致高濃度氮化物沿某些晶面呈魚骨狀沉淀,晶界與晶粒間的結合力急劇降低,導致滲氮層的組織和性能急劇惡化,韌性差,脆性大,不能使用。
  
  (2)解決方案。氮化前,應嚴格檢查氮化罐、爐蓋和供氨系統,確保無泄漏,氮化過程中保持爐內正壓和NH3分解率不低于25%,避免外部空氣回流到爐內造成鋼件氧化脫碳。嚴格控制氨的含水量≤0.15%,雜質不得超標。裝料前用10種干燥劑替換氨,裝料后完全消除爐內的非氮化氣氛。加強對原材料原始結構的檢查,不要使用鐵素體結構大的原材料。如果需要使用該材料,必須進行鍛造以破壞粗大的塊狀鐵素體組織,鍛造后進行正火處理以進一步細化組織,然后進行正常的淬火和回火預處理,以獲得氮化前所需的均勻和良好的回火索氏體組織;對于帶有魚骨狀氮化物的模具,應進行脫氮。如有磨削量,去除魚骨狀氮化物后,應按修改后的工藝進行氮化,經金相檢驗組織和性能合格后,方可使用模具。
  
  缺陷:網狀、波紋狀和針狀氮化物
  
  (1)原因分析。氮化物在氮化過程中沿晶界膨脹形成網狀、波紋狀和針狀氮化物,脆性大,韌性差,抗沖擊性和耐磨性低,使用過程中在外力作用下容易產生疲勞剝落。模具氮化前調質預處理淬火溫度高,晶粒粗大(≤7級),氧化脫碳嚴重。溫控儀表失效,爐內實際溫度遠高于儀表指示溫度,導致氮化溫度高,氮化物積累和生長,分散性降低。模具設計不當,尖角和銳邊過多,容易形成高濃度氮化物;NH3氣體中含有過量的水分,干燥劑失效,NH3分解速率過低,導致過量的活性[N]原子堆積在晶界上,氮化升溫速率和保溫后的快速冷卻速率。所有這些原因導致網狀、波紋狀和針狀氮化物的形成。由于它們的高脆性,必須采取措施消除它們。
  
  (2)解決方案。制定合理的調質預處理工藝,選擇淬火加熱溫度,保證奧氏體晶?!?.5級,在真空電爐或保護氣氛爐中加熱,或在完全脫氧的鹽浴爐中加熱,防止氧化脫碳;改進設計,盡量使模具形狀對稱,厚度不宜過寬,用半圓角代替銳邊;滲氮溫度一般不應超過580℃,溫控儀表應隨爐校準。加熱和冷卻速度不應太快。生產前更換干燥劑;選用QRD-112氨分解測試儀,嚴格控制氨分解速率,避免過高的爐氣氮勢,可以有效防止高氮濃度下網狀、波紋狀和針狀脆性氮化物的形成。修復時,將脆性氮化物模具放入540-560℃的氮化爐中保溫L2-l6h,擴散處理后檢查氮化層金相組織合格后投入使用。
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