1离子渗氮法的基本介绍离子渗氮法是由德国人B.Berghaus于1932年发明的<1>。 该法是在100～1300Pa的含氮气氛中,以炉体为阳极,被处理工件为阴极,在阴阳极间加 上数百伏的直流电压,使气体电离,产生辉光离子放电。由于辉光放电现象便产生象霓红灯一样的 柔光覆盖在被处理工件的表面。此时,离子化了的气体成分被电场加速,撞击被处理工件表面,使 工件表面加热。同时依靠离子溅射及气体离子化作用等进行氮化处理。离子渗氮炉的外形如图1所 示,左边为LDMZ-50型等离子渗氮脉冲电源,右边的为与之相配的离子渗氮炉。图1离子渗 氮炉重庆工学院模具中心两年以前为重庆创精温锻成型有限公司对H13热挤压齿轮模进行离子渗 氮处理。此模具是用来生产齿轮坯的,创精温锻成型公司两年前的模具寿命很短,每个模具大约只 能挤压800～1000个齿坯,便会出现失效。如图2所示,图2a所示是棱角磨损,它是由于 在挤压成形坯料金属流动时,坯料金属与模具表面发生相互运动,模具表面产生塑性变形。不停地 挤压出齿胚,在此循环应力作用下,使表层金属疲劳脱落<1>。图2b为破裂失效,它是在较低 的应力下,经多次使用,裂纹缓慢扩展后发生的断裂。图2模具表面失效a——棱角处磨损b—— 破裂失效为了提高模具寿命,创精温锻成型公司要求我校模具中心为他们想办法提高模具寿命。我 校模具中心的科技人员和技术工人决定对模具进行离子渗氮,因为离子渗氮具有渗入速度快、渗氮 组织易于控制、零件变形小、易于实现局部渗氮、清洁环保性能好等一些优点。渗氮的具体操作过 程为:把模具表面洗净,装炉,抽真空,当真空度为10～20Pa时,通NH3,当气压为50 0Pa时开启电源,设定辉光电压为760～780V,继续通气,当气压达到2000～300 0Pa时停止通气。此时,由于辉光放电现象,模具表面被一层美丽的柔光覆盖。如图3所示。同 时升温到520℃,保温10～11h后关机取出模具。图3离子渗氮时模具表面美丽的柔光2H 13热挤压齿轮模离子渗氮的具体操作工艺2.1渗氮前的热处理为保证模具基体具有必要的力学 性能,消除加工过程中的内应力,减少渗氮变形,提供必要的原始组织易于获得良好的渗氮层组织 性能,必须对H13热挤压齿轮模进行渗前热处理<2>。H13热挤压齿轮模渗氮前的具体热处 理工艺为:首先加热至1050℃后淬火,然后进行2～3次回火处理,回火温度为580℃。此 时,模具的硬度为50～55HR。必须注意热处理中回火工序的加热温度至少要比渗氮温度高2 0℃～40℃。否则,模具在氮化过程中,由于氮化温度超过了回火温度,使回火后的基体组织及 力学性能发生变化,零件产生无规律变形。2.2离子渗氮的工艺参数的设置<4>(1)渗氮温 度。对于H13热挤压模,它的渗氮温度一般为510℃～550℃。虽然渗氮层的厚度随渗氮处 理温度的升高而增加,但其抗腐蚀性能则随着渗氮处理温度的升高而下降<3>。因此渗氮温度过 高反而不好,它会使氮化物粗化、表层硬度下降并降低抗粘模能力;而同时渗氮温度低时渗氮层薄 ,满足不了使用要求。模具中心对H13热挤压齿轮模的渗氮温度取为520℃。在此温度下经1 0～11h处理后,渗氮层深度达到0.2～0.3mm。(2)渗氮时间。H13热挤压齿轮模 的渗氮时间一般为10～11h,较一般渗氮时间长,主要是为了获得足够的渗层厚度。渗氮时间 和渗层深度关系如图4所(a)(b)示。一般情况下,大约每渗氮6h,渗层增加0.1mm。 为了提高创精温锻成型公司H13热挤压齿轮模具的寿命,根据生产实际经验,要求模具的渗层深 度达到0.2～0.3mm,所以需要渗氮10～11h,渗氮这么长时间后能达到所要求的厚度 。图4渗氮时间和渗层深度的关系(3)渗氮气氛。H13热挤压齿轮模的渗氮气氛为纯NH3, 主要是因为使用纯NH3非常方便,价格便宜,并且获得渗层组织硬度高,耐磨性好。但用纯NH 3容易造成零件温度不均匀(受分解率的影响),并且渗氮层的组织无法控制,渗层脆性大,因此 只适于要求不高的模具。H13热挤压齿轮模劳动强度较低,不受冲击载荷,所以使用NH3能满 足使用要求。(4)气体压力。H13热挤压齿轮模的渗氮压力约为2000～3000Pa。比 常用离子渗氮压力高,这样既可以加快离子渗氮速度,又可以使炉里温度均匀。(5)辉光电压。 H13热挤压齿轮模采用的辉光电压为760～780V。电压越高,离子的能量就越大,因此辉 光电压能加快离子渗氮速度,影响零件尺寸,使膨胀量增大。(6)离子渗氮电源。H13热挤压 齿轮模采用的脉冲电源,因为脉冲电源较传统的直流电源相比,它有利于对复杂表面进行离子渗氮 ,保证零件表面不受弧光损伤、节约能源等一些优点,所以目前国内大多数采用脉冲电源。2.3 H13热挤压齿轮模渗氮的渗层组织模具进行离子渗氮后它的渗层组织可以分为两层:化合物层( 亦称为白亮层)和扩散层。化合物层一般很薄,它的硬度大,但脆性也很大。而扩散层的韧性比较 大,机械力学性能好。对H13热挤压齿轮模渗氮后我们希望能获得较纯的扩散层和较薄的化合物 层。这样的组织具有很高的强韧性。因为H13热挤压齿轮模的失效形式主要为磨损失效(从图2 中可以看出)。这样通过离子渗氮后获得!t的化合物层能有效地防止模具的磨损,提高它的抗疲 劳强度。而具有足够强韧性扩散层能提高模具的综合性能,有效地防止模具的变形失效。2.4H 13热挤压齿轮模渗氮的缺陷(1)表面电弧烧伤:由于工件表面上存在含油杂质,容易引起强烈 弧光放电所致。因此在离子渗氮之前要进行表面净化处理。(2)表面剥落起皮:产生起皮的机理 还不十分清楚,但在生产实践中,工件表面清理不净、脱碳或气氛中含氧量过多、氮化温度过高等 有时会产生起皮。(3)表面变黑<5>:这对将渗氮作为最后一道工序的零件将影响外观,但一 般不影响渗层硬度和深度。产生这种现象的原因可能是:炉子系统漏气,气氛中含水量及含氧量过 高;温度过高;工件上的油污及氧化皮未去净等。3结束语经过离子渗氮后,能大大提高H13热 挤压齿轮模具的寿命。没有进行离子渗氮的模具能挤压生产零件800～1000个,而进行离子 渗氮后能够生产出1800～2000个,模具寿命提高了2倍多。并且离子渗氮的价格较便宜, 每副模具渗氮价格为10元,大约占一新模具制造费用的1%,为重庆创精温锻成型有限公司带来了巨大的经济效益。图5为一些经过离子渗氮后的H13热挤压齿轮模。采用离子渗氮技术提高H13热挤压齿轮模寿命$重庆工学院!重庆400050@刘艳雄
$重庆工学院!重庆400050@梁赟
$重庆工学院!重庆400050@胡亚民对H13热挤压齿轮模的表面失效进行了分析,为提高H 13热挤压齿轮模的寿命对其进行了离子渗氮。介绍了离子渗氮的工艺流程以及离子渗氮的最佳温 度、最佳渗氮时间、最佳渗氮压力等工艺参数。离子渗氮;;热挤压;;齿轮模;;寿命;;表面失效<1>程培源.模具寿命与材料.机械工业出版社,2004.
<2>阎洪.金属表面处理新技术.冶金工业出版社,1996.
<3>杨义明,徐洮等.处理温度对脉冲直流等离子渗氮的影响.金属热处理,2005,<10>
<4>王德文.提高模具寿命应用技术实例.机械工业出版社,2004.
<5>吕学飞,杨瑞成等.等离子渗氮中的黑层及边缘效应.金属热处理,2005,<7>?.4 H13热挤压齿轮模渗氮的缺陷(1)表面电弧烧伤:由于工件表面上存在含油杂质,容易引起强 烈弧光放电所致。因此在离子渗氮之前要进行表面净化处理。(2)表面剥落起皮:产生起皮的机 理还不十分清楚,但在生产实践中,工件表面清理不净、脱碳或气氛中含氧量过多、氮化温度过高 等有时会产生起皮。(3)表面变黑<5>:这对将渗氮作为最后一道工序的零件将影响外观,但 一般不影响渗层硬度和深度。产生这种现象的原因可能是:炉子系统漏气,气氛中含水量及含氧量 过高;温度过高;工件上的油污及氧化皮未去净等。3结束语经过离子渗氮后,能大大提高H13 热挤压齿轮模具的寿命。没有进行离子渗氮的模具能挤压生产零件800～1000个,而进行离 子渗氮后能够生产出1800～2000个,模具寿命提高了2倍多。并且离子渗氮的价格较便宜 ,每副模具渗氮价格为10元,大约占一新模具制造费用的1%,为重庆创精温锻成型有限公司带 来了巨大的经济效益。图5为一些经过离子渗氮后的H13热挤压齿轮模。采用离子渗氮技术提高H13热挤压齿轮模寿命$重庆工学院!重庆400050@刘艳雄
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$重庆工学院!重庆400050@胡亚民对H13热挤压齿轮模的表面失效进行了分析,为提高H 13热挤压齿轮模的寿命对其进行了离子渗氮。介绍了离子渗氮的工艺流程以及离子渗氮的最佳温 度、最佳渗氮时间、最佳渗氮压力等工艺参数。离子渗氮;;热挤压;;齿轮模;;寿命;;表面失效<1>程培源.模具寿命与材料.机械工业出版社,2004.
<2>阎洪.金属表面处理新技术.冶金工业出版社,1996.
<3>杨义明,徐洮等.处理温度对脉冲直流等离子渗氮的影响.金属热处理,2005,<10>
<4>王德文.提高模具寿命应用技术实例.机械工业出版社,2004.
<5>吕学飞,杨瑞成等.等离子渗氮中的黑层及边缘效应.金属热处理,2005,<7>
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