模具材料的渗碳和渗氮表面处理工艺

渗碳与渗氮，一般是指钢的表面化学热处理。

1.渗碳

渗碳必须用低碳钢或低碳合金钢，可分为固体、液体、气体渗碳三种。应用较广泛的气体渗碳，加热温度900-950℃。渗碳深度主要取决于保温时间，一般按每小时0.2-0.25毫米估算。表面含碳量可达百分之0.85-1.05。渗碳后必须热处理，常用淬火后低温回火，得到表面高硬度、心部高韧性的耐磨抗冲击零件。

钢的渗碳，就是将低碳钢在富碳的介质中加热到高温（一般为900-950℃），使活性碳原子渗入钢的表面，以获得高碳的渗层组织。随后经淬火和低温回火，使表面具有高硬度、耐磨性及疲劳抗力，而心部仍保持足够的强度和韧性。

2.渗氮

应用最广泛的气体渗氮，加热温度500-600摄氏度。氮原子与钢的表面中的铝、铬、钼形成氮化物，一般深度为0.1-0.6毫米，氮化层不用淬火即可得到很高的硬度，这种性能可维持到600-650摄氏度。工件变形小，可防止水蒸气、碱性溶液的腐蚀，但生产周期长，成本高，氮化层薄而脆，不宜承受集中的重载荷。主要用来处理重要和复杂的精密零件。

涂层、镀膜是物理的方法，而“渗”是化学变化，本质不同。

一.渗碳钢的化学成分特点

（1）渗碳钢的含碳量

一般都在0.15-0.25％范围内。对于重载的渗碳体，可以提高到0.25-0.30％，以使心部在淬火及低温回火后仍具有足够的塑性和韧性。但含碳量不能太低，否则，就不能保证一定的强度。

（2）合金元素在渗碳钢中的作用

提高淬透性、细化晶粒、强化固溶体，影响渗层中的含碳量、渗层厚度及组织。在渗碳钢中通常加入的合金元素有锰、铬、镍、钼、钨、钒、硼等。

常用渗碳钢可以分碳素渗碳钢和合金渗碳钢两大类。

（1）碳素渗碳钢

用得最多的是15和20钢，它们经渗碳和热处理后，表面硬度可达56-62HRC。但由于淬透性较低，只适用于心部强度要求不高、受力小、承受磨损的小型零件，如轴套、链条等。

（2）低合金渗碳钢

如20Cr、20Cr2MnVB、20Mn2TiB等，其渗透性和心部强度均较碳素渗碳钢高，可用于制造一般机械中的较为重要的渗碳件，如汽车、拖拉机中的齿轮、活塞销等。

（3）中合金渗碳钢

如20Cr2Ni4、18Cr2N4W、15Si3MoWV等，由于具有很高的淬透性和较高的强度及韧性，主要用以制造截面较大、承载较重、受力复杂的零件，如航空发动机的齿轮、轴等。

固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳，渗碳温度为900-950℃，表面层（碳）为0.8-1.2％，层深为0.5-2.0mm。

二.渗碳后的热处理

渗碳工件实际上应看作是一种表面与中心含量相差悬殊的复合材料。渗碳只能改变工件表面的含碳量，而其表面以及心部的最终强化，则必须经过适当的热处理才能实现。渗碳后的工件均需进行淬火和低温回火。

淬火的目的是，使在表面形成高碳马氏体或高碳马氏体和细粒状碳化物组织。低温回火温度为150-200℃。

三.渗碳零件注意事项

（1）渗碳前的预处理正火，目的是改善材料原始组织、减少带状、消除魏氏组织，使表面粗糙度变细，消除材料流线不合理状态。正火工艺：用860-980℃空冷、179-217HBS。

（2）渗碳后需进行机械加工的工件，硬度不应高于30HRC。

（3）对于有薄壁沟槽的渗碳淬火零件，薄壁沟槽处不能先于渗碳之前加工。

（4）不得用镀锌的方法防渗碳。

四.防止渗碳方法

（1）加大余量法。在不需要渗碳的部位预先留出一定的加工余量，其留量比渗碳层深度大一倍以上。渗碳后，先车去渗碳层再转淬火。

（2）镀铜法。在不需渗碳的部位电镀一层0.02-0.04mm的铜，铜层要致密，不得暴露原金属。

（3）涂料法。在不需渗碳的部位涂上防渗涂料。

（4）工装法。自制专用工装，把不需渗碳的部位封闭密封。

五.钢的渗氮（强化渗氮和抗蚀渗氮）

使氮原子渗入钢的表面，形成富氮硬化层的一种化学热处理工艺。

与渗碳相比，渗氮处理后的零件具有高硬度和耐磨性、高疲劳强度、较高抗咬合、较高抗蚀性。渗氮过程在钢的相变温度以下（450-600℃）进行，因而变形小，体积稍有胀大。缺点是周期长（一般气体渗氮工艺的渗氮时间长达数10h到100h）、成本高、渗层薄（一般为0.5mm左右）而脆，不能承受太大的接触应力和冲击载荷。

六.渗氮用钢

从理论上讲，所有的钢铁材料都能渗氮。但我们只将那些适用可渗氮处理并能获得满意效果的钢才称为渗氮用钢。凡含有Cr、Mo、V、Ti、Al等元素的低、中碳合金结构钢、工具钢、不锈钢（不锈钢渗氮前需去除工件表面的钝化膜，对不锈钢、耐热钢可直接用离子氮化方法处理）、球墨铸铁等均可进行渗氮。

渗氮后的零件虽然具有高硬度、高耐磨性和高的疲劳强度，但只是表面很薄的一层（铬钼铝钢于500-540℃，经35-65h渗氮层深只达0.3-0.65mm）。必须有强而韧的心部组织作为渗氮层的坚实基底，才能发挥渗氮的最大作用。

总的来看，大部分渗氮零件是在有摩擦和复杂的动载荷条件下工作的，不论表面和心部的性能都要求很高。

如果用碳钢进行渗氮，形成的Fe4N和Fe2N较不稳定。温度稍高，就容易聚集粗化，表面不可能得到更高的硬度，并且，其心部也不能具有更高的强度和韧性。为了在表面得到高硬度和高耐磨性，同时获得强而韧的心部组织，必须向钢中加入一方面能与氮形成稳定氮化物，另外还能强化心部的合金元素，如Al、Ti、V、W、Mo、Cr等，均能和氮形成稳定的化合物，其中，Cr、W、Mo、V还可以改善钢的组织，提高钢的强度和韧性。

目前，专门用于渗氮的钢种是38CrMoAlA，其中，铝与氮有极大的亲和力，是形成氮化物提高渗氮层强度的主要合金元素。AlN很稳定，到约1000℃的温度在钢中不发生溶解。由于铝的作用使钢具有良好的渗氮性能，此钢经过渗氮，表面硬度高达1100-1200HV（相当67-72HRC）。38CrMoAlA钢脱碳倾向严重，各道工序必须留有较大的加工余量。

对高硬度、高耐磨性要求的氮化件，不宜选用碳钢和一般合金钢。对以提高抗蚀性能为主的氮化件，可选用碳钢和一般合金钢。

七.渗氮零件注意事项

（1）渗氮前的预备热处理调质。渗氮工件在渗氮前，应进行调质处理，以获得回火索氏体组织。调质处理回火温度一般高于渗氮温度。

（2）渗氮前的预备热处理去应力处理。渗氮前，应尽量消除机械加工过程中产生的内应力，以稳定零件尺寸。消除应力的温度均应低于回火温度，保温时间比回火时间要长些，再缓慢冷却到室温。断面尺寸较大的零件不宜用正火。工模具钢必须采用淬火回火，不得用退火。

（3）渗氮零件的表面粗糙度Ra应小于1.6um，表面不得有拉毛、碰伤及生锈等缺陷。不能及时处理的零件，须涂油保护，以免生锈。吊装入炉时，再用清洁汽油擦净，以保证清洁度。

（4）含有尖角和锐边的工件，不宜进行氮化处理。

（5）局部不氮化部位的保护，不宜用留加工余量的方法。

（6）表面未经磨削处理的工件，不得进行氮化。