热挤压模具稀土软氮化工艺研究

于泉有

于泉有（东北轻合金有限责任公司型材厂）

摘要：介绍了我司采用稀土催渗技术，对热挤压模具进行表面强化处理。阐述了稀土催渗机理及稀土渗入后渗层组织、性能的改变。该工艺以使用并取得良好效果。

关键词：稀土热挤压模具白亮层渗层

0引言

氮化处理是提高零件、模具使用寿命有效的一种化学热处理工艺。挤压模具的气体软氮化工艺对提高挤压制品的表面质量、延长模具使用寿命，起着尤为重要的作用。为进一步提高氮化效果，改善白亮层的组织致密性及耐磨性，采用稀土催渗技术结合正常生产对现工艺进行改进。采用稀土元素（RE）不仅能使渗速提高，而且还能改善碳、氮化合物的形貌和分部。其在氮化层形成过程中的作用基理首先是对溶剂分解的作用、在“相界面反应”阶段及“金属中扩散”阶段的作用，有利于C、N原子从畸变处进入，在畸变处偏聚，并呈球状或纺锤状析出，从而使渗层脆性明显改善，白亮层组织更加致密。

1实验过程

1.1实验方案稀土软氮化是在原氮化工艺的基础上，在强渗、扩散阶段（见图1），改变渗剂配比、温度即时间三种参数所做的进一步工艺研究。其他一些非主要参数：排气阶段甲醇的滴速和炉压，强渗、扩散阶段的滴速和炉压按原工艺不变。

渗剂的配比决定了参与共渗的各种元素，经过多方面考虑选择了三种渗剂配比。

a:C、N、O、RE四元共渗，甲酰胺+尿素+稀土固体渗剂。

b:C、N、O、S、RE五元共渗，甲酰胺+尿素+硫尿+稀土固体渗剂，其中S的参与、可形成Fe2S，对硬度并无贡献，但可减少磨擦，抗咬合、抗摩擦能力大大提高。

c:C、N、O、S、B、RE六元共渗，甲酰胺+尿素+硫尿+乙醇硼酸饱和溶液+稀土固体渗剂，其中B的作用是：形成NB、CB硬度很高，非常细小，弥散度大，但在中低温共渗条件下较难形成。

依据以上三种配比，在试验前制定了稀土软氮化工艺试验方案表

1.2试验阶段

1.2.1对比试验首先结合生产任务量较大的模具在RN-35-6井式气体氮化炉中进行重复试验。并对随炉加入的试块进行金相观察和硬度试验，结果表明：RE的渗入对硬度影响明显，但渗层厚度较薄；S的渗入使白亮层变厚；B的参与对硬度影响不大，且白亮层形成困难，表面产生黑色烧结物，对挤压造成影响。

1.2.2优选试验根据金相照片观察白亮层厚度及硬度对照（见表3，见表4）我们选择了第二种渗剂配比，进行集中实验。确定了氮化温度、时间，从而得出最佳方案（见表5）。

2试验结果

2.1硬度显微硬度明显提高，硬度值HV100g1100-1290。

2.2金相观察渗层厚度理想，白亮层为5-8μm，过渡层为200-300μm；过渡层未观察到网状形态。

3试验分析

3.1稀土的催渗效果稀土元素的催渗效果与时间及其加入量有关。稀土的加入量有一最佳范围，超出这个范围则催渗效果明显降低。因而根据不同工艺条件，需找出最佳范围（20-25g）才能取得较好效果。

3.2稀土对金相组织的影响对试块用金相法观察到α-Fe晶粒内ㄚ＇针的尺寸和密度相差很大。然而大面积观察表明，加入最佳量RE时，ㄚ＇针的尺寸小，而密度相对较高。这一方面是加入RE后使渗入C、N的浓度增大。另一方面是稀土渗入作为第二相沉淀析出的核心，使形核数量增多造成的。

3.3表面化合物（白亮层）的相分析一般钢材经氮化后，在表面形成一层不受硝酸酒精溶液腐蚀的白亮层，即化合物层。该层由ㄚ＇相和ε相组成。但其组成比例则于工艺条件有关。

3.4稀土元素对表面硬度和耐磨性的影响当RE加入量为10g时，化合物层中两相含量与不加入RE是基本相同的，但其表面硬度和耐磨性明显增高，可见由于稀土元素的渗入本身就产生了对化合层的强化作用。另外稀土加入量的选择，除了考虑渗速外，还要考虑耐磨性。

4工业生产考核情况

依据稀土软氮化工艺结合生产对我司的模具进行氮化取得明显效果。挤压制品表面质量较好，模具一次上机挤压数量是原工艺的一倍。因为重复氮化，光模量减少，模具寿命得以延长。

5结论

5.1通过稀土软氮化对比实验，C、N、O、S、RE五元素共渗方案，获得最佳效果，表面显微硬度达到HV100g1100以上，白量层厚度为5-8μm，渗层性能明显改善。

5.2稀土软氮化后的模具通过工业生产耐磨性，抗蚀性提高一倍。

5.3由于调整了RE的加入量，模具的耐磨性提高，减少了光磨次数，提高了生产效率。