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熱作模具鋼工作時(shí)，其模腔表面與熱態(tài)金屬長時(shí)間接觸，易出現(xiàn)打垛，粘合現(xiàn)象。同時(shí)模腔反復(fù)的受熱和冷卻，相當(dāng)于受有一種交變熱的應(yīng)力作用，易出現(xiàn)龜裂、即熱疲勞現(xiàn)象。采用一般的強(qiáng)化處理(如淬火+回火)需附加表面的保護(hù)措施且易產(chǎn)生較大的變形。氮化處理無疑是- -種良策。氮化溫度- -般在500度左右，不超過心部的調(diào)質(zhì)回火溫度，不僅可以保持心部的強(qiáng)韌性，而且滲氮后緩冷或空冷，可以實(shí)現(xiàn)低變形下的表面硬化處理。研究表明，熱作模具氮化處理后，可以提高其熱硬性，耐磨性，減少模具。與零件的粘合現(xiàn)象，龜裂現(xiàn)象，提高抗熱疲勞性能，延長模具的工作壽命。
目前，實(shí)用的氮化表面熱處理中，除了早期進(jìn)行的氣體氮化外，有鹽浴氮化、氣體軟氮化、離子氮化等，近年來，一種新的氮化工藝一-真空氮化處理，正在成為有潛在發(fā)展趨勢的表面熱處理技術(shù)。本文僅就熱作模具鋼滲氮工藝及發(fā)展進(jìn)行分析。
氣體氮化
氣體氮化又稱為硬氮化，早期在金屬壓鑄模上用氣體氮化來代替淬火。其工藝路線一般為:毛坯成型一調(diào)質(zhì)處理一機(jī)械加工一除應(yīng)力處理一氮化一磨削。氣體氮化表面白層常為脆性的Fe2N相，裂紋敏感性大，需將此層磨去后使用。此外，由于鐵的氮化物(Fe2N、Fe:N、Fe，N)穩(wěn)定性差，易于集聚粗化，硬度較低，常選用含強(qiáng)氮化物形成元素的低碳及中碳合金鋼,形成氮化物的元素均可提高氮化層硬度，但卻降低了氮原子在鋼中的擴(kuò)散速度，氮化速率僅為0.01 ~ 0.015mm/h，以熱作模具鋼的典型鋼種3Cr2W8V為例，采用兩段氮化其氮化時(shí)間達(dá)50小時(shí)以上。由于上述問題的存在，從七十年代以后，隨著氮化技術(shù)的不斷發(fā)展，氣體氮化在模具上的應(yīng)用逐漸減少。
軟氮化
所謂軟氮化是將模具在低溫(520~590度)進(jìn)行碳氮共滲(主要是滲氮)的過程，它的主要優(yōu)點(diǎn)是:適用的鋼材更為廣泛，無需選用特殊的氮化鋼，對一般的結(jié)構(gòu)鋼、工模具鋼均可適用；(2)除滲氮外，還滲有一定的碳，軟氮化溫度下，碳在a-Fe中的溶解度很低，碳的擴(kuò)散速度比氮原子慢，因而鋼的表面層首先被碳飽和，并生成及其細(xì)小的FeC質(zhì)點(diǎn)，它使得FesN和FeN化合物能夠較快形成，對氮化過程起著媒介和加速作用，軟氮化的時(shí)間比氣體氮化大大縮短。(3)氣體氮化與軟氮化都形成ε相，但軟氮化生成的e相不是Fe:N相，而是一種以FesN為主的相，它不但脆性和裂紋敏感性小，而且還具有耐磨、抗咬合和抗蝕等重要性能，使用前不用磨去。軟氮化的滲層較薄，不宜在重載下工作。對不承受大的載荷，而又需抗疲勞、抗磨損、抗咬合的熱作模具軟氮化十分適用。
離子氮化
與氣體軟氮化同步發(fā)展的是離子氮化。離子氮化是利用稀薄氣體的輝光放電現(xiàn)象進(jìn)行氮化的方法。是目前最成熟的離子熱處理工藝其最大特點(diǎn)是:滲層組織和相組成可以控制，通過調(diào)整工藝參數(shù)，可獲得純擴(kuò)散層，單相化合物層等，如N:/H2≤1時(shí)，化合物層是由韌性較高，厚度為10微米左右的r(FeN)單相組成，且氮化層內(nèi)N的濃度梯度小，因而與基體結(jié)合比較牢固。而普通氣體氮化時(shí)?；衔飳佑蒭+Y雙相組成，由于二者比容不一造成局部拉應(yīng)力區(qū)域，以及氮化層內(nèi)N濃度梯度大，化合物層基體結(jié)合不很牢固，因而脆性大于離子氮化。與普通氣體氮化相比，離子氮化具有速度快，質(zhì)量高，變形小，可實(shí)現(xiàn)氮?jiǎng)菘刂?，不污染環(huán)境，氨氣消耗少和易于防滲等特點(diǎn)，而且由于離子轟擊和氫氣的還原作用，能有效的去除表面鈍化膜。但若工件表面有油污，毛刺，盲孔，或供氮不穩(wěn)定，易使輝光由異常放電過渡到弧光放電，影響氮化進(jìn)行。目前離子滲氮在模具上的應(yīng)用之關(guān)鍵技術(shù)是根據(jù)其特點(diǎn)，合理選用工藝參數(shù)，以期獲得提高離子滲氨效能與成本之比，
真空氮化
真空氮化的出現(xiàn)代表了氮化技術(shù)的最新發(fā)展方向，它真正實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的無污染和工件的少畸變，目前正在成為模具生產(chǎn)中最有應(yīng)用價(jià)值的技術(shù)。
真空氮化是使用真空爐對模具進(jìn)行整體加熱，充人少量氣體，在低壓狀態(tài)下產(chǎn)生活性氮原子滲人并向鋼中擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)硬化的。其特點(diǎn)是通過真空技術(shù)，使金屬表面活性化和清凈化。在加熱、保溫、冷卻的整個(gè)熱處理過程中，不純的微量氣體被排出，含活性物質(zhì)的純凈復(fù)合氣體被送人，使表面層相結(jié)構(gòu)的調(diào)整和控制、質(zhì)量的改善、效率的提高成為可能。真空氮化和軟氮化一樣是碳氮共滲過程，但由于氮化時(shí)將真空爐排氣至較高真空度，同時(shí)送人以氨氣為主的，含有活性物的多種復(fù)合氣體，并對各種氣體的送入量進(jìn)行精確控制，真空滲氮處理后，滲層中的化合物層是e單相組織，沒有其它脆性相(如FesC、FezO)存在，所以硬度高，韌性好，分布也好。無脆性相的單相ε化合物層的耐磨性比氣體軟氮化組織的耐磨性高，抗摩擦燒傷、抗熱咬合、抗熔敷、抗熔損性能都很優(yōu)異，但該“白層”的存在對有些模具也有不利之處，易使鍛模在鍛造初期引起龜裂，焊接修補(bǔ)時(shí)易生成針孔.但真空滲氮的另--個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是通過對送人爐內(nèi)的含活化物質(zhì)的復(fù)合氣體的種類和量的控制，可以得到幾乎沒有化合物層(白層)，而只有擴(kuò)散層的組織。但僅有擴(kuò)散層組織時(shí)，模具的抗咬合性、耐熔敷、熔損性能不夠好，因此需要根據(jù)各類熱作模具的服役條件和性能要求，調(diào)整表面層的組織和性能。這就要求合理選擇工藝，包括滲氮溫度、爐壓控制、氣體濃度、材質(zhì)成分等，從而獲得理想的表面層相結(jié)構(gòu)及使用性能。此方面尚有大量的工作需要做。