模具钢材氮化缺陷的原因分析及解决方案(一)

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氮化缺陷的原因分析及解决方案(一)
氮化是将活性氮[N]原子渗入钢件表面,形成氮化层,是现代化学改性强化处理工艺方法之一。当代辉光离子氮化、双程氮化、三段氮化和预氧化双程氮化及稀土(RE)催渗氮化等方法发展了传统钢件氮化工艺,使氮化质量达到新水平。氮化层具有高硬度、高耐磨、抗疲劳、抗粘结、抗腐蚀、抗擦伤和热硬性与畸变小等模具所需宝贵特性.广泛应用于模具制造业。
将成品模具置于密封氮化炉中,通入氮化介质氨(NH3)气,加热至500℃~650℃,发生热分解:2NH3→ 2[N]+3H2。分解活性[N]原子被钢件表面吸收,并向金属内部扩散,首先溶解在α-Fe中形成固溶体,饱和后逐渐形成氮化物层,其维氏硬度高达1000Hv,具有上述宝贵特性。模具表面呈银灰色。不论是热作模具或是冷作模具.根据模具化学改性强化处理需要.氮化可放在最终淬火之前或最终回火之后进行。模具经氮化处理后可成倍提高模具寿命。但在实际生产中,因种种原因会产生各种各样的氮化缺陷。主要有10种.分析缺陷形成原因。采取有效措施,消除氮化缺陷,确保氮化质量和模具长寿命。
缺陷一:渗氮层硬度过低
(1)原因分析。氮化的
模具钢材化学成分不符或混料等导致渗氮模具表层含氮量不足;钢件未经调质预处理,未获得氮化前所需细密的回火索氏体组织.或虽经调质预处理,但基体组织硬度低,渗氮硬化层如附在薄冰上;控温仪表失灵.导致氮化温度过高和氮化第一阶段强渗期NH3分解率偏高,炉内渗氮气氛过低,产生活性[N]原子不足,或氮化箱内含水(H2O)过量,对NH3分解起“触媒”作用。生产实践表明。当NH3分解率≥65%~70%时,介质中氢气含量增加.会阻碍钢件表面氮化物形成,降低钢件表面吸氮能力,导致渗氮模具表层含氮量低;渗氮件表面不洁,有油污、氧化皮和脱碳层未去除.或使用新渗氮罐及渗氮罐久用未经遐氮处理;氮化炉密封不严、漏气等,均会造成氮化层硬度过低。
(2)解决措施。渗氮钢材入库和投产前对其化学成分进行复查,合格后再投产;按钢材不同熔炼炉号和批号分开堆放,避免混料,氮化前必须对钢件调质处理。以获得均匀细密的回火索氏体组织和所需基体硬度。氮化温度应略低于调质回火温度。确保渗氮后钢件基体硬度不降低;选用WJ一1型微机控温仪,控温精度在±1.5℃以内,确保渗氮温度准确无误和氮化过程中跟踪校温;若冷加工后有上限留量喷细砂,去除氧化皮、脱碳层和污物;装炉前仔细检查渗氮炉密封性.发现漏气及时修理或更换;选用搪瓷罐,对不锈钢罐应先空罐氮化后启用.对久用氮化罐及工夹具要退氮后再用;氮化过程中要低温人炉,缓慢升温.适当加大NH3流量,降低NH3分解率使之≤50%;返修时用汽油或酒精清理干净渗氮钢件表面,一般在520℃~530℃x7~10h补渗氮一次,NH3分解率控制在20%~25%为宜。达到技术要求等上述措施,有效避免因氮化层硬度低而降低模具耐磨性和寿命。
缺陷二:渗氮层浅
(1)原因分析。渗氮炉有效加热区温差大,且不均匀;钢件表面有污物、锈迹和氧化物:渗氮件装炉不当.钢件之间过密,甚至层叠,使进气管堵塞,气流不畅;第一阶段强渗期,NH3分解率不稳定,有时过高。有时过低;第二阶段扩散期温度偏低、保温时间不足等因素都会造成渗氮层浅.且不均匀.因硬化层浅易导致模具服役时早期不均匀磨损失效。
(2)解决措施。严格投产前氮化炉气密性检查,疏通管道阀门;生产时稳定控制NH3分解率在20%~40%之间。使之产生的活性[N]原子基本上与钢件表面吸[N]及[N]的扩散量平衡;精密控温,有效加热区温差不大于±1.5℃和延长扩散时间:渗氮件合理装挂,相互之间有一定间距.避免重叠面接触,确保工件间氨气均匀畅通和炉内氮气循环正常;采用催渗氮化,渗剂中加入适量Re(稀土)元素制成催渗滴剂,选用镀Ti(钛)氮化,钢件表面先镀Ti,因Ti与N亲和力强.形成在Fe中固溶体.能迅速形成均匀氮化层。生产实践表明.新工艺与传统工艺比,能快速形成厚且均匀氮化层,渗层深度增加25%~40%,生产周期缩短近一半,节电40%~50%;返修处理,用汽油或酒精清理干净渗氮表面.严格按原第二阶段扩散工艺补渗氮一次等上述措施,有效避免不均匀渗氮层形成,达到均匀一致渗氮层和所需氮浓度和氮化层组织。
缺陷三:渗氮层硬度不均,有软点
(1)原因分析。
模具钢材化学成分不均匀,偏析严重,晶粒粗大(≤7级),奥氏体呈长条状,铁索体呈大块状和钢中有害杂质含量超标。导致最终淬火生成粗马氏体和未溶解低硬度块状铁素体;调质回火温度过高,造成基体硬度偏低;模具钢材脱碳层未加工掉和钢件表面污物末除净;氮化炉加热器布局不合理,导致炉内温度不均匀;钢件装挂不当,间距小,相互接触,气管堵塞氨气不畅;局部防渗氮钢件镀锡层过厚或结合不牢,风扇转速太快、震动大造流锡等。上述原冈会导致渗氮面产生亮块、亮点即是软点,低硬度和硬度不均,由于性能不稳定,模具服役时,有软点处先磨损,形成沟槽,导致早期软塌磨损失效。
(2)解决措施。选用炉外精炼钢、电渣重熔钢、真空熔炼钢,这些模具钢材具有纯洁度高、杂质少、品粒细、碳化物小、化学成分和组织均匀无偏析、等向性能好等特点;采用精密仪表控温.分段控温、合理布局加热器,确保炉膛各部位温度均匀,温差≤±1.5℃;留足冷切削加工余量去除模具钢材脱碳层;科学合理装挂,钢件之间留空隙,确保NH3气循环均匀畅通;模具热处理宜在真空电炉、保护气氛炉或盐浴炉中进行,防氧化脱碳;严格控制镀锡层厚度,以0.010~0.015mm为宜和降低氮化炉风扇转速,避免较大震动。返修时清理干净渗氮表面后,重新制订渗氮工艺,允许补渗氮一次等上述措施,有效确保渗氮层硬度均匀,消除软点,达到渗氮层质量指标。
未完待续
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