汽车模具的离子渗氮

1、汽车模具的离子渗氮 汽车模具的离子渗氮 杜树芳，巢云飞，杜恒山（吉林洪洋实业有限公司，吉林长春 130012 ） 摘要：讨论了汽车覆盖件铸铁模具和汽车锻件合金钢模具的离子渗氮技术，阐述了汽 车模具离子渗氮生产与检验的设备、工艺。生产实践表明，合理离子渗氮可以大大提高汽 车模具的质量和延长其使用寿命。关键词：离子渗氮；汽车模具 中图分类号： 文献标识码： A 文章编号： 0254-6051 （ 2019）11-0081-05 Plasma Nitriding of Auto Dies DU Shu-fang ， CHAO Yun-fei ， DU Heng-shan （ Jiiin Hongya

2、ng Industriai Co. Ltd. ，Changchun Jiiin 130012 ，China ） Abstract ：The piasma nitriding technigue of cast iron dies for auto body metai sheet part and aiioy steei dies for auto forging were discussed. The eguipments and process of piasma nitriding and inspection were expounded. The industriai practic

3、e indicates that the guaiity of auto dies can be greatiy enhanced and the service iife of the auto dies can be pro-ionged remarkabiy through optimai piasma nitriding. Key words ： piasma nitriding； auto dies 1 两类汽车模具的特点 1. 1 汽车大型覆盖件模具特点 汽车覆盖件模具是汽车制造业中最重要的大型冷作模具，外形尺寸大，质量大，多为 铸铁或铸钢制造。这类模具的使用寿命主要取决于模具材料

4、、制造和装配精度以及模具表 面的耐磨性。 离子渗氮技术目前已经成为大型铸铁新模具或维修旧模具延长其使用寿命和改善模具 冲压件质量的主要手段。生产实践表明，影响铸铁模具离子渗氮质量的主要因素为模具渗 氮前表面净化处理、渗氮后的表面加工、化合物层厚度和次表层硬化效果。 1. 2 汽车热 作模具特点 汽车热作模具种类繁多，模具工作条件和失效形式复杂。一般来说，汽车热作模具使 用寿命都比较低。为了延长模具使用寿命，必须正确选择模具材料，改善原材料质量和采 用先进的热处理工艺，提高模具热处理质量，模具的正确装配和操作也是重要因素。模具 表面强化处理就是建立在这些复杂条件基础上进行的。表面强化处理对提高热

5、作模具寿命 的效果，不仅取决于表面强化工艺本身，还直接与模具材料热处理质量有关，并非各种模 具都需要或都适合表面强化处理，不正确的表面强化处理可能造成模具过早失效。 根据模具工作条件和失效形式分析，针对模具表面抗热疲劳、热磨损和强韧性等要求 不同，在确保模具 作者简介：杜树芳( 1938. 12 )，男，辽宁辽阳人，高级工程师，现任吉林洪洋实 业有限公司总工程师，长期从事离子热处理与真空热处理基础、设备和工艺研究，工程设 计施工和技术开发工作，已发表论文 42 篇，专利 3 项。联系电话：-maii ： dushufang1938yahoo. com. cn 收稿日

6、期： 2019-04-18 基体强韧性的同时，选择适当的离子渗氮工艺，可保证离子渗氮层的特性与厚度适应 和满足模具工作条件的要求。 2 离子渗氮设备 2. 1 设备规格 试验和生产用离子渗氮设备分为两类：小型炉和大型炉。小型炉的直径分别为 ! 800mm和！ 1400是引进德国MPT公司控制器件，由北京 MPT公mm, 司制造；直径 ! 3000mm 的大型炉是从德国 MPT 公司引进的。工艺处理过程自动控制、 自动完成,设备可靠、处理质量稳定。小型炉和大型炉的技术规格见表1。起重设备采用 32/5t 双钩桥式起重机,有利于大型模具正确可靠的装炉和吊运。 表 1 两种炉型的技术规格 Table

7、 1 Technical specification of the two types furnaces 技术规格 电源总功率 /kW 直流输出电压 /V 整流最大输出电流 /A 脉冲输出电压 /V 脉冲输出最大峰值电流 /A 脉冲频率 /kHz 炉膛尺寸 /！ mm mm 最大装炉量 /t 小型炉 170085015008501501800400014002000 15 大型炉 36008003400800340V 10 可调 30005000 30 2. 2 脉冲电源及设备节能改造 生产实践表明,选用高频脉冲电源,有利于提高大型高精度复杂形状模具的离子渗氮 均匀性,同时比普通直流电源大大节

8、省电能。 为了降低大型汽车模具离子渗氮的电能和成本，以及提高满装炉和混装炉离子渗氮件 质量均匀性，在 炉膛双层隔热屏基础上，内壁又增加了一层一定厚度的保温屏，炉子改装后，实现了 节能 30%以上。装炉量愈大，节能效果愈明显。 试验是在直径 ! 1400mm 2000mm 离子渗氮炉中进行，试验结果见表 2。 表 2 保温屏的节能效果 Table 2 Results of power consumption with the thermal insulating shield 试验条件 装炉工件 42crmo 钢内齿圈 无保温屏（ ! 910mm 270mm ， 3 件，单件重 429kg ）

9、1650 89500 装炉量 /kg 阴极表面积 /cm 2 渗氮工艺升温 5h 510C 保温 10h 540C 保温 20h 总周期 50h NH 3 ： 400Pa 升温 7h 42crmo 钢大行星架 有保温屏（ ! 684mm 606mm ， 2 件，单件重 525kg ） 1450 67500 510C 保温 10h 540C 保温 20h 总周期 62h NH 3 ： 400Pa 10001800 耗电量 /kW ? h 单位耗电量 质量比 1. 09kW ? h /kg 表面比 0. 02kW ? h /cm 2 540C 时： 电流密度 0. 73mA /cm 2 功率密度

10、0. 54W /cm 2 质量比 0. 69kW ? h /kg 表面比 0. 015kW ? h /cm 2540C 时： 电流密度 0. 53mA /cm 2 功率密度 0. 39W /cm 2 3 检验设备 模具离子渗氮质量的检验项目包括生产检验和工艺过程控制检验。渗氮层深及硬化效 果的生产检验以模具实测为主，辅以随炉样品测定；工艺过程控制主要检验渗层均匀性及 金相组织。 3. 1 硬度检测 3. 1. 1 维氏硬度计 采用适当的小载荷，在不明显损伤渗氮工件表面的情况下，能较准确地反映出渗氮表 层的力学性能，因此，渗氮工件普遍采用小载荷的维氏硬度法测定渗层硬度。 （ / 维氏硬度的压痕深

11、度按公式 ! =0. 1945 1/2 3 HV ）计算，它随测试载荷增大而加大，随材料硬度 载荷只是测定以化合物层为主的硬化层，而过高载荷测定的不是渗氮层的平均硬度而 是渗氮层和基体的平均硬度。 渗氮层深度在 0. 10. 3mm ，可选用载荷砝码 1kg ；可选用载荷砝码 5kg ；渗渗氮 层深度在 0. 30. 5mm ， 氮层深度在 0. 5mm 以上可选用载荷砝码 10kg 。 建议除了 台式维氏硬度计适合于测定渗氮小件或样品的维氏硬度，无法测定大型模具的硬度。 手提式维氏硬度计最小载荷砝码为 10kg ，不适合用于测定铸铁模具表面硬度，但可用于 测定各种大型模具渗氮前表面的原始硬度

12、和大型合金钢模具深层渗氮的表层硬度。 3. 1. 2 里氏硬度计 里氏硬度计利用一个碳化钨测量头的冲击体借弹簧力打向被测试件表面，冲击后反弹， 基于非完全弹性碰撞原理，通过碰撞中的能量损失（冲击速度和反弹速度差）来确定硬度 值。不同材料由于组织结构（包括化 1000HV 1. 41. 96. 213. 819. 533. 7 增加而减小，如表 3 所示。压痕深度 ! 是选择测试载荷的依据。 表 3 维氏硬度的压痕深度 ! 和加载载荷及硬度值之间的关系 Table 3 Indentation depth ! of Vickers hardness Vs load and hardness Val

13、ue 载荷砝码 /kg 400HV 0. 050. 10151030 2. 23. 19. 721. 830. 853. 3 硬度压痕深度 ! /! m 600HV 1. 82. 58. 017. 825. 143. 5 800HV 1. 52. 26. 915. 421. 837. 7 学热处理渗层的非均质特性）和力学特性（弹性模量、吸收冲击能的阻尼特性）等不 同对里氏硬度值有较大影响。被测试件质量越大，里氏硬度计示值越可靠。 里氏法对各种材料和不同工艺条件下的非均质硬化层，只能间接测定出硬化概况，测 量值偏低。现阶段技术条件下，里氏法不能正确测量渗氮件硬度，仅用于同种材料工艺的 特性对比。

14、 对渗氮工件硬度生产检验，里氏硬度计是不适用的。 3. 1. 3 超声硬度计 超声硬度计利用超声接触阻抗方法（ UcI ）来测量 模具表面离子渗氮后，截面硬度呈梯度下降，在模具表面垂直测定的硬度值是表征在 一定载荷下金刚石的压头压入深度层及其支撑层（深度大约等于 10! ） 3平均硬度。选择合适的测定载荷才能正确反映渗 氮层有效部分（表层及次表层）的硬化效果。过小的 硬度，它用一种类似维氏硬度计的金刚石压头装在谐振杆一端，施加不同载荷（如施 加 1、5 或 10kg 的砝码）在试件表面得到压痕，用谐振杆的谐振频率增量来确定压头与被 测材料的接触面积，以此来评价硬度。可见超声硬度计测试载荷很小，

15、压痕深度很浅，对 大型渗氮工件现场检测非常适用。 现在超声硬度计实现了袖珍便携和全自动化，可实现对工件不同方向表面硬度的测量， 非常适合大型模具渗氮表面硬度测量，但是测量精度不如维氏硬度计准确，受手动操作影 响较大。我们采用 MIC-10 型超声硬度计测定大型铸铁模具表面硬度，测试载荷为 1kg 。3. 2 金相检验 采用 HVS-1000 型显微硬度计和 XJZ-6A 型金相显微镜检查渗氮样品的硬度梯度及化合 物层、扩散层组织。 4 铸铁模具材料工艺试验 4. 1 试验材料 试验材料见表 4，由 ! 40mm 300mm 铸棒，加工成 ! 30mm 4mm 试样。 表 4 试验材料的化学成分

16、（质量分数， %） Table 4 Chemical composition of the test materials（ wt%） 材料灰铸铁球墨铸铁 C 3. 322. 94 MI 0. 970. 75 Si 2. 002. 46 Ni Mo 0. 28 Cr 4. 2 试验方法 在直径! 800mm 小型炉中处理后的离子渗氮试样，测定不同载荷下其表面维氏硬度， 并作截面金相分析和测定显维硬度梯度。 4. 3 试验结果及分析 试验结果见表 5。对比分析两种铸铁材料离子渗氮试验结果表明，不含合金元素的灰 铸铁渗氮层较厚， 表 5 不同工艺离子渗氮处理后铸铁的渗氮效果 Table 5 Hard

17、ness and depth of the plasma nitrided layer on cast iron samples 表面硬度 试验材料 渗氮工艺 540C 12h ，NH 3NH 3540C 24h ，540C 12h ，NH 3540C 24h ，NH 3 化合物层厚 /! m 1314149 HV1*60 HV5HV1*513 1*3 次表层硬度 HV0. 05/0. 1mm 1*7 渗氮层深 /mm 0. 450. 600. 300. 35 原始硬度（ HV10） 197311 基体组织 灰铸铁球墨铸铁 珠光体珠光体 但渗氮层强化效果不如含合金元素的球墨铸铁。 合金元素 C

18、r 和 Mo 的主要作用是提 高化合物层和次表层的硬度，在长时间渗氮时合金氮化物的析出强化和难以聚集粗化，有 利于次表层强化。含合金元素的球墨铸铁在保温 24h 离子渗氮后，其 0. 1mm 处次表层硬 度 447HV ，而普通灰铸铁仅为 390HV ，可见重要的汽车覆盖件拉延模采用含少量合金元 素的球墨铸铁制造是有利的。 过去一般采用对模具表面棱线部分进行火焰淬火，以提高模具表面硬度和耐磨性，这 种工艺对深拉延或高质量大型模具的应用效果不理想，存在模具型腔表面热处理畸变，冲 压过程中仍然存在拉伤或粘着现象。 目前对大型轿车覆盖件模具表面强化，常用镀铬和离子渗氮。镀铬难以实现大型模具 表面得到

19、均匀镀层，而且镀层容易剥落和环境污染严重。离子渗氮是提高大型铸铁模具质 量，延长使用寿命的最佳选择。大型模具离子渗氮处理设备目前已相当完善，工艺比较成 熟，无环境污染，处理费用适中是优于镀铬而易于实现的先进工艺。 由德国大众汽车公司制造的捷达左侧围模具，模具外形尺寸为 4300mm 2300mm 600mm质量9500kg，用普通灰铸铁铸造（化学成分质量分数为3. 06%C， 0. 85%MI ， 1. 64%Si ， 0. 04%Cr ， 5 生产实例 5. 1 捷达轿车左侧围模具 侧围模具一般由灰铸铁或球墨铸铁整体铸造而成，是轿车车身覆盖件冷冲压中最重要 的拉延模。在轿车覆盖件大批量冲压生

20、产过程中，对厚板料、镀层板或复合板料、深拉延 或表面质量要求很高的冲压件，仅靠模具材料本身的力学性能往往保证不了冲压件的质量 要求，模具的维修和使用寿命也难以满足要求。针对模具在冲压过程中不断出现的划伤和 裂纹，以及冲压件出现拉伤或粘着现象，造成冲压生产线停机，必须强化模具工作表面， 改善表面摩擦性能，提高其耐磨性和抗咬合性，延长模具使用寿命，减少停机维修损失。 出现拉伤，不得不停机修复。在采用离子渗氮修复后，恢复了模具的使用性能，仍在 生产中使用。 5. 1. 1 离子渗氮用设备 模具离子渗氮用直径 ! 3000mm 5000mm 大型自动控制脉冲电源离子渗氮炉，脉冲频 率为 1kHz 。为

21、了改善模具离子渗氮均匀性和节省电能，在离子渗氮炉内设置了专用保温 屏。 5. 1. 2 离子渗氮处理工艺 (1) 模具预处理 模具经 200300C 加热，清除表面油漆和脱油处理，然后对模具工 作表面进行清理抛光，最后对模具全面清洗后装炉。 (2) 装炉 为了保证模具渗氮均匀和减少畸变，模具以4300mm长方向端面侧立炉内, 三点支撑。 ( 3)处理过程 抽真空 21，初真空达 50pa ；300C 、400C 分级升温共 561，氨气加 热；540C保温241，采用氮氢混合气，气压为 350pa ;炉冷251至99C，模具出炉。总 工艺周期为 1071。5. 1. 3 检验结果 模具出炉冷至

22、室温后，型腔表面经轻微抛光后，！ a v 0. 8! m 。抛光后的模具型腔 表面，按直立装炉位置 3100mm长度区域，自上而下分 6点用MIC-10型超声硬度计测量表 面硬度，每点测量 35次，各点的平均硬度值分别为 525、554、564、555和585HV1,可 见模具上下硬度均匀。 随炉进行离子渗氮处理的模具试块，表面硬度为538HV1和349HV5渗氮层深为0. 4mm。该模具装机试冲表明，离子渗氮后畸变极小。5. 1.4渗氮模具使用效果 该拉延模经离子渗氮后，表面硬度提高了 200235HV 。装机使用后，试车磨合表明， 冲压件表面质量显著提高，冲压件拉毛停机时间减少，模具使用寿

23、命预期可明显延长，但 还需长时间考核最终效果。 该模具由于表面有多处补焊点，经离子渗氮后，在原来补焊点处，出现有个别软点 (450520HV1)。为了保证经过补焊修复的模具表面能达到正常离子渗氮硬化效果，需采 用专用配方的补焊焊条和专用补焊工艺。 该模具系由于用低质量等级普通灰铸铁制造，在采用特殊的离子渗氮工艺处理后，模 具表面硬度也只能达到 500600HV1而现在用高质量合金球墨铸铁制造的大型拉延模，离 子渗氮后模具表面硬度可达 650750HV1,模具可获得更好的应用效果。5. 2汽车连杆锻 模 热锻模的失效形式为型腔堆塌、断裂、热疲劳和热磨损。其中模具型腔堆塌和断裂失 效，主要取决于模

24、具材料的基本性能（尤其是材料的高温屈服强度和韧性），而模具热疲 劳和热磨损失效则直接与模具表面情况及表层性能有关。热锻模在正确选材和正确设计制 造前提下，模具的正常失效形式主要是热疲劳和热磨损。 被处理的连杆锻模外形尺寸为 400mm 245mm 80mm 模具单件质量 48. 5kg 。用新 型模具钢HHD制造（化学成分质量分数为0. 3%C、10%Cr、2%Mo、1%Ni、0. 5%V、0. 06%N）经1080C真空油淬和580C三次回火，硬度为 4648HRC。这种材料的高温强度高 于H13钢，有利于减少模具热畸变和热磨损。 连杆锻模是在热模锻压力机上使用，工作节拍较快，有自动顶料装置

25、，锻件在锻模型 腔中保持时间很短，并且由于水基石墨的降温和隔热作用，模具的温度升高现象并不十分 严重，一般可在 300400C 之间，在此温度下模具型腔能保持较高硬度，基体强度足以抵 抗模具凸起部分堆塌，但是模具长期在表面热疲劳应力作用下，会出现型腔变形和磨损失 效。模具平均寿命为 2000 件。 采用离子渗氮处理能进一步提高连杆锻模使用寿命的原因是在模具表面形成一层比基 体材料硬度和强韧性更高的耐疲劳渗氮层，可以在保持模具表面减少热疲劳裂纹的萌生与 扩展前提下，充分发挥离子渗氮提高模具抗热变形和热磨损的能力，致使模具寿命大大延 长。 处理工艺：采用氨气 +丙烷气的离子氮碳共渗处理，560C

26、保温 101（含 21 脱氮处理）， 气压400pa，模具表面硬度 9501000HV10 （相当于6869HRC），渗氮层深 0. 25mm。 经过离子氮碳共渗处理的连杆锻模，装机使用表明，随着锻造次数增加，型腔越来越 光亮，而热磨损很少，第一批锻模生产锻件已超过 4000 件，模具寿命显著提高。 5. 3 汽车齿轮热镦锻凸模 齿轮热镦锻凸模由H13钢制造，用于高速镦锻 40B钢齿轮毛坯，在2000I热镦锻机 上模具每分钟镦锻 70 次，模具经强制水冷，保持表面温度不超过 400C ，但是在快速热疲 劳机械应力作用下，模具表面很快出现疲劳裂纹，并迅速扩展使凸模凸出部分断裂，同时 在高温重负荷

27、镦锻冲击力作用下，模具也会热变形，因此该模具寿命很低，每套模具只能 生产 10002000 件锻件，平均使用时间不超过 30min 。 该模具外形尺寸为外径 ! 75mm 内径! 50mm X 50mm ，凸出部分厚度为 56mm,单件质量0. 7kg ，模具淬火回火后硬度为 45HRC。 研究表明，热疲劳裂纹的萌生阶段主要受材料强 13度控制，而裂纹扩展阶段主要受材料塑性控制。众 （3）模具离子渗氮后硬度检验应采用维氏硬度法，载荷砝码以选用1kg 为宜，有利 于准确确定渗氮表面和次表层的硬化效果。 参考文献： 1 杜树芳，贺元方 . 汽车模具的离子渗氮技术 A . 第十三 届汽车车身制造技术

28、研讨会论文集 C . 武汉， 2002. 4 ： 122-124. 2 杜树芳 . 大型铸铁模具的离子渗氮 J . 金属热处理， 2019 ，29（12）： 55-57. 3 中国机械工程学会热处理专业学会. 热处理质量控制与 检验方法 A . 热处理手册 M . 北京：机械工业出版社， 1993. 4 夏期成 . 渗层表面硬度值与试验力的回归关系和分析 J . 金属热处理， 1996，21（12）： 15-17. 5 秦向群，等 . 里氏硬度计对大型渗氮件表面硬度检测适用 性探讨 J . 金属热处理， 2000，25（1）： 44-46. 6 李 疆，等 . 超声硬度计原理及其发展 J .

29、金属热处理， 2001 ，26 （2）： 41-43. 7 王 彤，李平安 . 缓冲器锻件精密锻造成型模具用钢的选 . 金属热处理， 2019，29（8）： 58-61. 择与应用 J :8楼南金，等.硼氮复合渗提高5CrMnMO钢热锻模寿命 J . 金属热处理， 1998， 23（10）： 10-13. 9 周敬恩 . 模具的强韧化处理与使用寿命 J . 金属热处理， 1996 ， 21 （6）： 7-9. 10 诸作明，等 . H13 钢低温化学热处理渗层热疲劳特性研 究 J . 金属热处理， 1993， 18（3）： 33-39. 11 彭文屹，等 . 离子渗氮化合物层对 H13 钢热疲

30、劳性能的 影响 J . 金属热处理， 2002，27（5）：22-24. 12 王 荣，等 . H13 钢经不同表面处理后的静态抗铝热熔 损性能比较 J . 金属热处理， 2019，28（12）： 5-8. :13方建儒.新型高性能压铸模具钢（HHD钢）的开发R :. 长春：中国一汽集团公司、吉林大学博士后研究工作报告， 2019. 1 14 杜树芳，黄 辉. 硬化表面的滚压抗力 A . 中国机械工 程学会热处理学会第四届年会论文集 C . 南京， 1987. 5 ：732-738. 所周知，渗氮化合物层强度很高，但脆性较大，如果在模具表面形成适当厚度的韧性 较高的氮化物层，则可限制模具表面热疲劳裂纹的萌生，而为了限制裂纹的扩展，必须在 适当降低模具基体材料屈服强度的同时提高其塑性。为了防止此时模具强度降低造成凸模 堆塌变形和产生断裂，可采用离子渗氮次表层强化来补偿。 工艺方案：适当降低模具淬火回火硬度（4345HRC），形成厚度小于5! m的韧性氮 化物层和