熱擠壓模具稀土軟氮化工藝研究

摘要:介紹了我司采用稀土催滲技術(shù)，對熱擠壓模具進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。闡述了稀土催滲機(jī)理及稀土滲入后滲層組織、性能的改變。該工藝以使用并取得良好效果。

關(guān)鍵詞:稀土 熱擠壓模具 白亮層 滲層

0 引言

氮化處理是提高零件、模具使用壽命有效的一種化學(xué)熱處理工藝。擠壓模具的氣體軟氮化工藝對提高擠壓制品的表面質(zhì)量、延長模具使用壽命，起著尤為重要的作用。為進(jìn)一步提高氮化效果，改善白亮層的組織致密性及耐磨性，采用稀土催滲技術(shù)結(jié)合正常生產(chǎn)對現(xiàn)工藝進(jìn)行改進(jìn)。采用稀土元素(RE)不僅能使?jié)B速提高，而且還能改善碳、氮化合物的形貌和分部。其在氮化層形成過程中的作用基理首先是對溶劑分解的作用、在“相界面反應(yīng)”階段及“金屬中擴(kuò)散”階段的作用，有利于C、N原子從畸變處進(jìn)入，在畸變處偏聚，并呈球狀或紡錘狀析出，從而使?jié)B層脆性明顯改善，白亮層組織更加致密。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 實(shí)驗(yàn)方案 稀土軟氮化是在原氮化工藝的基礎(chǔ)上，在強(qiáng)滲、擴(kuò)散階段(見圖1)，改變滲劑配比、溫度即時間三種參數(shù)所做的進(jìn)一步工藝研究。其他一些非主要參數(shù):排氣階段甲醇的滴速和爐壓，強(qiáng)滲、擴(kuò)散階段的滴速和爐壓按原工藝不變。

滲劑的配比決定了參與共滲的各種元素，經(jīng)過多方面考慮選擇了三種滲劑配比。

a: C、N、O、RE四元共滲，甲酰胺+尿素+稀土固體滲劑。

b: C、N、O、S、RE五元共滲，甲酰胺+尿素+硫尿+稀土固體滲劑，其中S的參與、可形成Fe2S，對硬度并無貢獻(xiàn)，但可減少磨擦，抗咬合、抗摩擦能力大大提高。

c: C、N、O、S、B、RE六元共滲，甲酰胺+尿素+硫尿+乙醇硼酸飽和溶液+稀土固體滲劑，其中B的作用是:形成NB、CB硬度很高，非常細(xì)小，彌散度大，但在中低溫共滲條件下較難形成。

依據(jù)以上三種配比，在試驗(yàn)前制定了稀土軟氮化工藝試驗(yàn)方案表

1.2 試驗(yàn)階段

1.2.1 對比試驗(yàn) 首先結(jié)合生產(chǎn)任務(wù)量較大的模具在RN-35-6井式氣體氮化爐中進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。并對隨爐加入的試塊進(jìn)行金相觀察和硬度試驗(yàn)，結(jié)果表明:RE的滲入對硬度影響明顯，但滲層厚度較薄;S的滲入使白亮層變厚;B的參與對硬度影響不大，且白亮層形成困難，表面產(chǎn)生黑色燒結(jié)物，對擠壓造成影響。

1.2.2 優(yōu)選試驗(yàn) 根據(jù)金相照片觀察白亮層厚度及硬度對照(見表3，見表4)我們選擇了第二種滲劑配比，進(jìn)行集中實(shí)驗(yàn)。確定了氮化溫度、時間，從而得出最佳方案(見表5)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 硬度 顯微硬度明顯提高，硬度值HV100g1100-1290。

2.2 金相觀察 滲層厚度理想，白亮層為5-8μm，過渡層為200-300μm;過渡層未觀察到網(wǎng)狀形態(tài)。

3 試驗(yàn)分析

3.1 稀土的催滲效果 稀土元素的催滲效果與時間及其加入量有關(guān)。稀土的加入量有一最佳范圍，超出這個范圍則催滲效果明顯降低。因而根據(jù)不同工藝條件，需找出最佳范圍(20-25g)才能取得較好效果。

3.2 稀土對金相組織的影響 對試塊用金相法觀察到α-Fe晶粒內(nèi)ㄚ'針的尺寸和密度相差很大。然而大面積觀察表明，加入最佳量RE時，ㄚ'針的尺寸小，而密度相對較高。這一方面是加入RE后使?jié)B入C、N的濃度增大。另一方面是稀土滲入作為第二相沉淀析出的核心，使形核數(shù)量增多造成的。

3.3 表面化合物(白亮層)的相分析 一般鋼材經(jīng)氮化后，在表面形成一層不受硝酸酒精溶液腐蝕的白亮層，即化合物層。該層由ㄚ'相和ε相組成。但其組成比例則于工藝條件有關(guān)。

3.4 稀土元素對表面硬度和耐磨性的影響 當(dāng)RE加入量為10 g時，化合物層中兩相含量與不加入RE是基本相同的，但其表面硬度和耐磨性明顯增高，可見由于稀土元素的滲入本身就產(chǎn)生了對化合層的強(qiáng)化作用。另外稀土加入量的選擇，除了考慮滲速外，還要考慮耐磨性。

4 工業(yè)生產(chǎn)考核情況

依據(jù)稀土軟氮化工藝結(jié)合生產(chǎn)對我司的模具進(jìn)行氮化取得明顯效果。擠壓制品表面質(zhì)量較好，模具一次上機(jī)擠壓數(shù)量是原工藝的一倍。因?yàn)橹貜?fù)氮化，光模量減少，模具壽命得以延長。

5 結(jié)論

5.1 通過稀土軟氮化對比實(shí)驗(yàn)，C、N、O、S、RE五元素共滲方案，獲得最佳效果，表面顯微硬度達(dá)到HV100g1100以上，白量層厚度為5-8μm，滲層性能明顯改善。

5.2 稀土軟氮化后的模具通過工業(yè)生產(chǎn)耐磨性，抗蝕性提高一倍。

5.3 由于調(diào)整了RE的加入量，模具的耐磨性提高，減少了光磨次數(shù)，提高了生產(chǎn)效率。