离子渗氮工艺对工模具质量的影响

【摘要】针对常用的工模具材料，在不同的电流类型、气体气氛、渗氮温度、加氨工艺下进行离子渗氮处理，并对试件进行金相分析和硬度测量。试验表明，带窄缝工模具，用igbt逆变型脉冲电源的离子渗氮工艺较为合理；加氨工艺有利于减小表面。层和增加渗氮层的硬度和厚度。
关键词 离子渗氮 工模具 硬度 金相分析 辉光电压

离子渗氮或多元共渗是近来发展起来的化学热处理方式之一，这种工艺具有渗氮速度快、渗层质量好、变形小、无污染、节能、节气等特点，能显著提高零部件的硬度、耐磨性和抗咬合力，提高疲劳强度，从而提高工模具的质量和使用寿命。

影响离子渗氮质量的因素很多，文献研究表明主要有电流类型、电流密度、辉光电压、气体气氛、气体压力、氮化温度和保温时间等。本文主要研究的内容是用不同的脉冲电源(电参数)，在不同气体成分和压力(气氛参数)下，对常用于制作工模具的材料进行3种不同电源的普通离子渗氮和加ma,渗氮工艺的实验，并对其金相组织、表面硬度和渗氮层厚度进行测量。

试件和试验条件

为了对带窄缝工模具的渗氮工艺质量进行研究，特意地如图1所示的试件，并分别用45钢、35crmoa钢制作了各1组试件。

离子渗氮工艺试验是在杭州等离子体装軠有限公司生产的设备上进行的。

对于普通离子渗氮工艺，电源分别用直流电源、bto斩波脉冲电源和igbt逆变型脉冲电源，分别进行试验；电流密度为，气体成分为nh3+n2，其中n/h=4，保温时间为8h，处理温度均选用5200c，压升率控制在8pa/h以下，气体压力分别为500pa, 650pa, 800pa，辉光电压分别为500v、650v、800v。

对于加氩渗氮工艺采用直流电源，气体成分为nh3/ar=1:2，保温时间为5h，处理温度为500°，气压为200pa，电流密度为，辉光电压为750v。

试验结果和分析

渗氮处理后将试件切开，进行金相分析、硬度测试和渗氮层厚度测量。图2分别为45钢材料在用igbt逆变型脉冲电源进行离子渗氮下的金相组织，图2a是槽顶。(见图1)处的金相组织，图2b为槽上部b处的金相组织，图2c为槽下部。处的金相组织。图3~图5为分别用直流电源,bto斩波脉冲和igbt逆变型脉冲电源进行渗氮后，对于不同的材料在a、b、c各点的硬度比较；图6为直流电源、不同的处理工艺下二种材料的渗氮层硬度梯度比较。

1.从图2的金相组织照片可见，顶部a点处的化合物层厚度较厚，约有15μm；而槽的下部c点处的化合物层厚度较薄，约为a点处的一半(7-8μm)；上部b处的化合物则很薄，大约只有2-3μm。

2.从图3、图4可见，气氛压力越高时渗氮硬度就越高；3种电源中，用ibgt逆变脉冲电源时的渗氮硬度最高，用bto斩波脉冲电源次之，用直流电源渗氮时渗氮层硬度最低。另外，辉光电压越高渗氮层硬度也越高，但对3种电源的影响程度不同，其中用ibgt逆变脉冲电源时的影响较大，用ibgt逆变脉冲电源渗氮时辉光电压在700-800v、气氛压力为650-800pa时效果较佳。

3.从图4、图5可知，在用ibgt逆变脉冲电源进行渗氮时，顶部。处的硬度高，且受辉光电压和气氛压力的影响较小；但在上部b处则明显受辉光电压和气氛压力的影响；而下部c点处的影响也较大，但略小于底部。

4.从图6可见，加氢工艺有利于提高渗氮层的表面硬度，原因是合金氮化物的弥散强化效应所致；从硬度梯度的分布可见，加氩渗氮有利于氮的扩散，使其内部一定厚度内有ν相或α+ν相存在；而普通工艺用直流电源渗氮层较薄，硬度也低。

结语

1.对于带窄缝工模具的离子渗氮工艺，无论模具材料采用哪一种，用igbt逆变型脉冲电源的效果最好。
2.用普通直流电源和普通脉冲电源进行渗氮处理时，在窄缝深处的渗氮效果很差，其硬度与未经处理的原材料相差无几，不适合其渗氮处理。
3.带窄缝的工模具进行离子渗氮时，气氛压力宜高(800pa时最好)，辉光电压宜高(780v时最好)，但气氛压力和辉光电压不能无限制地增大，所以改用电流类型是比较好的方法。
4.加氩工艺有利于氮的扩散，减少表面ε相层和强化氮化物的弥散效果。

参考文献
1.杨兴宽等.离子渗氮及等离子热处理用igbt逆变型脉冲电源.金属热处理，1999, 11:14-17
2.夏国华等.现代热处理技术.北京:兵器工业部出版社，1997
3.钱苗根等.现代表面技术.北京:机械工业出版社，1999
4.周孝重等.等离子体热处理技术.北京:机械工业出版社，1992
5.顾彩翔等.加氨离子渗氮工艺.金属热处理，2000, 2: 17-19
6.陈方生等.稀土催渗离子渗氮工艺的研究.金属热处理，1999: 7-9
浙江省教育委员会科研基金资助项目