模具钢材氮化缺陷的原因分析及解决方案(三)
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模具钢材氮化缺陷的原因分析及解决方案(三)
缺陷八:渗氮层脆性大、起泡剥落有裂纹
(1)原因分析。原材料有带状组织和非金属夹杂物严重超标;模具设计不当,形状复杂,厚薄不均,有较多尖角锐边和表面积过大,活性[N]原子从多方面同时渗入,氮浓度高,形成ζ脆性相,结合不牢;渗氮介质活性太强,表面吸收大于扩散,过量活性[N]原子堆积在金属表面,表层含氮浓度过大,超过11%,形成脆性相,因ξ相浓度大,渗层陡,大大削弱了氮化层与基体结合力,易起泡,在外力和渗后因冷速过大,产生较大内应力共同作用下,引起氮化层剥落和产生裂纹;NH3气含水量过大,分解率不足,强渗期温度过高,时间过长,或原材料组织粗大,表面脱碳层末加工掉等均会导致金属表层N浓度过大,渗氮层过陡,与基体结合不牢,使氮化层脆性大,韧性差,模具服役时在外力作用下,导致氮化层起泡、疲劳剥落和形成裂纹失效。
(2)解决措施。选用无带状组织,杂质少,晶粒细,碳化物小,化学成分和组织均匀,无显微和宏观冶金缺陷精炼模具钢,对原材料进行锻造,击碎带状组织,细化晶粒,均匀组织,改变非金属夹杂物形貌,消除偏析,使之细化与均匀分布于钢基体;改进模具设计,尽量使之对称和厚薄均匀,将尖角锐边改成半圆角,减弱活性[N]原子堆积,避免应力集中;控制供NH3量与分解率和保持炉内正压力,促使活性[N]原子扩散速度稍大于金属表面吸收速度,避免氮浓度超过11%N,消除高浓度ζ脆性相;NH3流量愈大,炉内停留时间愈长,NH3分解率愈高,NH3分解率宜控制在30%~40%之间;经常更换干燥剂,每炉更换一次,确保NH3气中水≤0.015%+H2O;采用精密多段控温,控温精度≤±1.5℃;确保模具工作表面粗糙度Ra0.21μm;选用辉光离子氮化等新技术、新工艺,缩短强渗期时间,延长扩散期时间,可降低渗层氮浓度,使氮化层均匀,N浓度和硬度梯度由表至内平缓等上述措施,可消除ζ脆性相和氮化层起泡与裂纹,增强氮化层韧性,提高渗氮层与基体结合力,抗冲击、抗剥落性强,延长模具使用寿命。返修时清理干净渗氮表面后,置于550℃~560℃氮化炉中保温10~15h,在较低NH3分解率气氛中扩散处理,再经金相检查,达到质量标准。
缺陷九:鱼骨状氮化物
(1)原因分析。因NH3气含水超标,杂质多,分解率太低,炉内出现负压,外部空气倒罐,导致模具发生氧化脱碳;原材料原始组织中有大块游离铁素体未消除,促使模具渗氮后形成极脆的、高N浓度的鱼骨状氮化物。当模具钢锭从1000℃~1200℃高温奥氏体状态经长时间缓慢冷却扩散退火时,游离铁素体沿奥氏体晶界及鲜理面以微细格子状析出,晶粒粗大,正火和调质处理均无法消除,大块铁素体保留在氮化过程中,因金属表层铁索体吸氮能力特强,使氮元素富集,导致高浓度氮化物沿一定晶面呈鱼骨状析出,急剧降低晶界之间,晶粒之间结合力,使氮化层组织性能急剧恶化,韧性低劣,脆性极大,无法使用。
(2)解决措施。渗氮前严格检查氮化罐与炉盖及供氨系统应密封无渗漏,确保渗氮过程炉内维持正压和NH3分解率不小于25%,避免外部空气倒灌炉内发生钢件氧化脱碳;严格控制氨气含水量≤O.15%和杂质不得超标,装炉前更换氨气用十燥剂,装炉后彻底排除炉内非渗氮气氛;加强原材料原始组织检查,不使用有大块铁素体组织原材料。若需利用该材料必须改锻,击碎粗大块状铁素体组织,锻后正火处理进一步细化组织,再按正常调质预处理,以获得氮化前所需均匀细密的回火索氏体组织;对有鱼骨状氮化物模具,应采取退氮处理,若有磨量,磨去鱼骨状氮化物后,按修订工艺补渗氮一次,经金相检查组织性能合格后方可利用。
缺陷十:网状、波纹状和针状氮化物
(1)原因分析。氮化时氮化物沿晶界扩展形成网状、波纹状、针状氮化物,脆性大,韧性差,耐冲击和耐磨损性能低,服役时在外力作用下易产生疲劳剥落。模具氮化前调质预处理淬火加热温度偏高,晶粒粗大(≤7级)和严重氧化脱碳;控温仪表失灵,炉内实际温度大大高于仪表指标温度,造成渗氮温度过高,使氮化物聚集长大,弥散度降低;模具设计不当,有过多尖角锐边,易形成高浓度氮化物;NH3气含有过量水,干燥剂失效和NH3分解率太低,产生过量活性[N]原子堆集于晶界和氮化升温加热速度和保温后出炉冷却速度快等原因,均会导致网状、波纹状和针状氮化物形成,因其脆性大,必须采取措施消除。
(2)解决措施。制订合理的调质预处理工艺,选用淬火加热温度应确保奥氏体晶粒≥8.5级,加热在真空电炉或保护气氛炉,也可在经充分脱氧盐浴炉中进行,防氧化脱碳;改进设计,尽量使模具形状对称,厚薄不宜悬殊过大,以半圆角代替尖角锐边;氮化温度一般不宜超过580℃,随炉校验控温仪表,加热和冷却速度不宜过快;投产前更换干燥剂;选用QRD-112型氨气分解测定仪,严格按需控制NH3分解率,避免炉气氮势过高等措施,能有效防止网状、波纹状和针状高氮浓度脆性氮化物的形成。返修时将有上述脆性氮化物模具置于540℃~560℃氮化炉中保温l2~l6h,扩散处理后检查氮化层金相组织合格后投入使用。
针对以上十种氮化缺陷分析及形成原因,采取有效措施消除氮化缺陷,确保氮化质量,提高模具使用寿命,给企业带来经济效益。


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