化学热处理与表面涂层在工具中的应用工具钢渗氮处理 工具钢渗碳处理 渗氮处理工艺 渗氮处理特点
渗氮
高速钢、基体钢、热模具钢和高碳高铬钢中都含有大量形成氮化物的合金元素，渗氮层的表面硬度高达1000HV以上，大幅度提高了耐磨性，并降低了摩擦系数。渗氮处理已广泛应用于刀具、冷作模具和热作模具的热处理。
（1）刀具渗氮
高速钢刀具和以高速钢为基的钢结硬质合金刀具都可以在磨刃之后进行渗氮处理。高速钢中含有大量的Cr、V、W、Mo等形成氮化物元素，渗氮后表面硬度很高，但渗氮层的脆性很大，如果处理不当，易崩刃。所以高速钢渗氮应采用短时渗氮和低氮势。一般在560℃渗氮，时间为20～60min，氨分解率在70%～90%范围内调节。高速钢刀具渗氮不允许出现化合物层，扩散层的总深度控制在0.01～0.03mm之间，对于刃口较厚的连续切削的刀具可取上限，刃口较薄的刀具应取下限。刀具在使用过程中经过重复磨刃之后，只要前刃面或后刃面之一保留着渗氮层，仍然可以收到提高切削寿命的效果。
（2）冷作模具渗氮
冷挤压凸模、冷镦凸模和冷锻模常用高速钢或基体钢制造，渗氮温度恰好在高速钢和基体钢的回火温度范围内。在淬火回火并加工至最终形状之后进行短时渗氮，渗层深度只需略大于允许的磨损量，就可以大幅度提高模具寿命。基体钢或低碳高速钢克服了普通高速钢易开裂、易崩刃的缺点，但耐磨性不如高速钢。经过短时渗氮后三者的耐磨性则达到同样水平。所以用基体钢或低碳高速钢制造冷挤压模并进行短时渗氮处理，是大幅度提高其寿命的有效措施。高碳高铬工具钢制造的冷作模具也可以通过渗氮提高表面耐磨性，但渗氮温度应降至500℃，以减小基体硬度下降的幅度。
高速钢、基体钢、高碳高铬工具钢等高合金工具钢渗氮时间不宜过长，渗氮层深度不宜过深，表面不应出现化合物层，否则会引起崩刃或剥落。低合金钢制造的冷作模具不宜进行渗氮处理，因低合金工具钢的回火稳定性差，在渗氮温度下硬度已降至40HRC以下。
（3）热作模具渗氮
热作模具钢含有Cr、Mo、W、V等形成氮化物元素，渗氮后表面化合物层的硬度高于1000HV，扩散层的最高硬度也达到800HV以上。热作模具钢承受的冲击载荷低于冷作模具，因此热作模具渗氮后一般允许带着化合物层投入使用。化合物层有很高的耐磨性和低的摩擦系数，并能提高抗粘模的能力。由于化合物层的热导率很低，减少了工件向模具传播的热量，降低了模面的温度和温度变化的幅度。化合物层的这些特性有利于提高热作模具的使用寿命。用于压铸模时，渗氮化合物层还起到提高抗液体金属冲刷和抗粘模的能力。但是热作模具钢渗氮后化合物层很脆，所以厚度一般控制在3～6μm左右；承受冲击载荷较大的模具，宜控制在1～3μm；承受冲击载荷较低的模具，化合物层可在6～9μm或8～12μm范围选择。应根据使用和失效的方式，通过试验加以确定。
热作模具钢所含的合金元素使渗氮的扩散层具有很高的硬度和热强度，明显提高了热挤压模和热锻模抗压塌的能力。渗氮层的总深度愈深，抗压塌的能力愈高。但是由于渗氮层热导率低，所以渗氮层过厚，则容易产生热疲劳裂纹。因此应根据具体模具的失效方式确定渗氮层深度。热作模具钢的渗氮温度应不高于回火温度，例如3Cr2W8的渗氮温度为560℃，H13钢在500～540℃之间选择。渗氮时间则根据所要求的渗氮层深度而定。
（4）塑料模、橡胶模、胶木模的渗氮
这类模具一般形状比较复杂，工作时所承受的应力和冲击载荷则很低。则中、低碳钢或合金钢制造的模具经过短时渗氮处理之后，表面形成致密的化合物层，其耐磨性和抗擦伤能力足以满足使用要求。而且化合物层有较高的耐腐蚀性，有利于提高塑料模的使用寿命。渗氮温度一般为560～570℃，对热处理畸变要求很严格的模具，可适当降低渗氮温度。渗氮时间决定于所要求的化合物层深度，大致在2～5h之间选择。化合物层＞12μm，表面易出现疏松。对于短时渗氮后直接使用的模具，化合物层宜控制在8～12μm范围。短时渗氮后经过抛光再使用的模具，化合物层可适当厚一些，但不宜超过20μm。抛光时将表面疏松层抛掉，保留＜12μm的致密化合物。
短时渗氮提高了模具的表面耐磨性，在基体材料选择时就可以着重考虑模具的加工性和经济性。例如中碳钢正火处理或低碳合金钢退火处理适合于切削加工。用冷挤压模腔的方法制造模具则可采用经过球化退火的低碳钢或纯铁制造，然后进行短时渗氮。
在历史上气体氮碳共渗和各种盐浴渗氮曾大量应用于模具热处理，但是这两种方法都会产生氰根，污染环境。随后的研究表明，短时渗氮的效果不亚于盐浴渗氮和气体氮碳共渗。因此，盐浴渗氮和气体氮碳共渗不应继续应用，可将其提高模具性能的经验移植于无毒的短时渗氮。
渗碳
我国学者戚正风教授开创了无莱氏体制高速钢及其渗碳的研究[9，10]，无莱氏体高速钢的合金元素含量与高速钢相同，含碳量则降低到不出现莱氏体的范围，用渗碳的方法将表面含碳量提高到甚至超过普通高速钢的水平，形成在奥氏体基体上分布大量碳化物的渗碳层。渗层中的碳化物并不是在钢液凝固时共晶反应的产物，所以不会成为莱氏体组织。在渗碳温度下高合金奥氏体中合金元素原子还不可能进行长距离扩散，只可能在比较小的尺寸范围内与碳原子就地结合成细小的颗粒状碳化物。渗碳温度愈低，渗碳层中的碳化物粒度愈细，在随后的淬火加热时也不易聚集长大。淬火之后这种高合金渗碳层组织的耐磨性和强韧性都明显优于同样合金元素含量的高速钢，并在生产试验中取得明显提高刀具性能的效果。目前，无莱氏体高速钢还未能推广的主要妨碍在于供硝渠道难以，以及工具制造厂现有的制造流程和生产线都无法实现无莱氏体刀具的批量生产制造，但不失为技术上合理的长远发展方向。受无莱氏体高速钢渗碳的启发，李宇进行了Cr13型马氏体不锈钢渗碳试验[11]，在渗层中形成密集分布的颗粒碳化物，对比试验结果表明耐磨性比Cr12MoV高3倍，有可能应用于冷作模具。
用低合金钢渗碳的方法制造模具比较少见。这是因为模具整体所受的应力和冲击载荷都低于动力机械零件，用高碳钢和高碳低合金钢制造的模具，整体淬火、回火之后心部性能足以满足使用要求，而且高碳工具钢淬火温度低于渗碳温度，加热保温时间也远远短于渗碳时间。相比之下，高碳钢淬火的热处理畸变较小，能耗低，生产效率高，是一种比较合理的技术路线。只有在一些特殊的情况下，例如承受较大冲击载荷的细长的冲头，整体用高碳钢制造容易折断，用低碳钢渗碳淬火的方案才是合理的。另外，有一些消耗量大、加工又比较复杂的模具，用冷挤压模腔的方法制造能降低模具制造成本，低碳钢的塑性成形阻力比工具钢低很多，在这种情况下也可以选择低碳钢渗碳的技术路线。
超硬涂层在工具中的应用
如前所述，单纯依赖于改变整体化学成分和整体热处理的途径提高工具的耐磨性是有局限的，而用物理气相沉积、化学气相沉积、离子注入或化学镀等方法在工具表面形成超硬薄膜涂层，可以大幅度提高工具的耐磨性和降低摩擦系数，大幅度提高工具的寿命。
早在20世纪60年代末和70年代初，TiC、TiN、TiC-TiN涂层硬质合金刀片相继面市，70年代和80年代出现性能更好的第二代TiC-Al2O和第三代TiC-Al2O-TiC等多种复合涂层硬质合金刀片，此后气相沉积技术发展迅速。涂层材料有TiN、ZrN、HfN、TaN、NbN、CrN、CBN、Si3N4、TiC、ZrC、Cr7C3、SiC、Ti（C，N）、TiC（B，N）、Ti（Al，N）、β-C3N4金钢石等以及各种复合涂层，可涂覆在高速钢、模具钢、硬质合金、钢结硬质合金的基体材料上，使刀具、模具寿命提高几倍至几十倍[12]，目前已经在大规模生产上广泛使用，并已成为刀具制造业中的主流。涂层的种类很多，当前纳米涂层和复合涂层的展也很快。
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