【導讀】為了提高模具的使用壽命，人們除了采用常規(guī)熱處理外，各種表面強化技。性能、抗粘和性能。但是原有的氣體氮化工藝因存在工藝周期長、生產(chǎn)成本高等。方面的缺點而影響了氣體氮化工藝的廣泛使用。本文通過研究加入稀土元素的輪。氮化催滲劑配方和催滲工藝。解決了輪胎模具化學熱處理生產(chǎn)中長期存在的滲速。過慢，能耗大，生產(chǎn)成本高的問題。一定范圍內隨稀土滴量的增加，氮化速度不斷提高。稀土催滲氮化層顯微硬度顯著提高。源，效率大大提高，效益也明顯提高。

　　

【正文】 的模具在滲氮結束冷卻時要繼續(xù)提供少量氨氣，避免爐內產(chǎn)生負壓。出爐溫度控制在 200℃ 以下，避免滲氮模具在空氣中氧化。 (4)對已經(jīng)產(chǎn)生氧化的滲氮模具可在低壓下噴細砂清除，并重新加熱滲氮，滲氮后爐冷至 200℃ 以下出爐。 模具滲氮后變形 17 原因： (1)模具結構設計不合理、形狀復雜等。模具在機械加工后的殘余應力未能很好消除。 (2)氣體滲氮爐內溫度不均勻，模具裝爐后加熱升溫過快或出爐時冷卻速度太快。 (3)因滲氮層比容大而產(chǎn)生的組織應力帶來形狀變化，滲層愈厚影響愈大。因此若工藝參數(shù)不當，滲氮溫度過高、時間過長、氮勢過高、產(chǎn)生過厚滲氮層等就會使變形增大。 (4)模具裝爐方法不合理，爐內溫度不均勻、氨氣流不穩(wěn)不暢等。 預防措施： (1)設計制造模具時應該盡量使模具結構對稱合理，避免厚薄懸殊。 (2)對淬火后的模具應充分進行回火，對機械加工后的模具應進行退火消除應力 [8]。 生產(chǎn)中推廣和應用稀土催滲氮化工藝應注意事項 由于本稀土催滲劑與主滲劑的揮發(fā)溫度不同，使用不當可以造成滴料管堵塞故障，所以要求滴料管最好設有水冷裝置，或者滴料管過爐蓋板部分長度不要長于 80mm。 由于稀土可以與碳形成共滲，在首次使用時有滲罐作用，爐內的稀土濃度不夠，可能使得催滲效果不明顯，隨著稀土濃度的提高，催滲效果就會顯現(xiàn)，所以在第一爐時不要更改工藝。避免造成滲碳層不夠。 由于各企業(yè)滲碳工件、爐型以及裝爐量等條件不同，操作習慣不同，在首次使用該催滲劑時，對使用工藝，尤其是各段操作時間應該進行試驗，避免造成滲層不夠或過深。最有效的試驗方法是采用 中控試塊跟蹤來確定滲碳時間，可以采用在強滲開始采用 5 小時設置試塊，按時提取測定滲層深度，確定各段時間。 18 3 常規(guī)氣體軟氮化和稀土催滲氣體軟氮化的比較 顯微組織和結構對比 稀土催滲滲氮和普通常規(guī)滲氮相比，其滲層微觀結構發(fā)生了明顯變化，影響了滲氮時氮的擴散速度。 晶粒細化及晶界面缺陷增加 圖 、 b、 c 分別為 40Cr 鋼稀土催滲滲氮、普通滲氮化合物層的 TEM 像和電子衍射花樣。可以看出，其化合物層均是由等軸晶粒組成的，經(jīng)標定，此等軸晶粒為 γ′相，其中稀土催滲的 γ′相晶粒明顯細化。這是 由于稀土催滲滲氮處理時間短及稀土的變質作用所致。晶粒細化使晶界面缺陷增加，為氮原子的擴散提供了有利條件。 （ a） 稀土催滲滲氮 30000 （ b） 普通滲氮 30000 （ c） 電子衍射 圖 γ′相的 TEM 像和電子衍射花樣 γ′相中的晶體缺陷數(shù)量增加 透射電鏡觀察發(fā)明，在稀土催滲的 γ′相中 有許多大小不一的位錯環(huán)，其尺寸為 10～ 20nm，如圖 所示。在稀土催滲滲氮過程中，促使材料表面產(chǎn)生大量空位，在高溫下空位向里擴散到完整晶體中，當空位達到一定的過飽和度時聚集成團，這些團靠吸收空位很容易長大并形成空位片，繼而發(fā)展到兩邊的晶面崩塌形成空位型。 圖 為 γ′相中的堆垛層錯。使 γ′相形成時，其密排面很容易產(chǎn)生錯排，從而形成堆垛層錯。另外 ， Frank 位錯環(huán)本身就是低能的堆垛層錯，它不斷吸收大量點缺陷而無限長大，最終形成可見的堆垛層錯，如圖 所示。 圖 為 γ′相中的蜷線位錯。稀土的 加入，使 γ′相中的空位、位錯環(huán)和堆垛 19 層錯等晶體缺陷的數(shù)量增加，提高了氮原子的擴散速度。 (a)位錯環(huán) 80000 （ b） 堆垛層錯 80000（ c） 由位錯環(huán)長大形成的層錯 120200 （ d） 蜷線位錯 50000 圖 稀土催滲滲氮γ′相中的晶體缺陷 擴散層存在高密度位錯 圖 為稀 土催滲滲氮距表面 TEM 像。由圖 可見，在擴散層鐵素體內存在位錯環(huán)、高密度位錯。作者認為，這是在滲氮初期，先產(chǎn)生大量的空位，繼而形成位錯環(huán)，位錯環(huán)擴展與位錯位從而加速了滲氮的過程。 (a) 40Cr 鋼 （ b） 45鋼 圖 稀土催滲滲氮擴散層的 TEM 像 100000 稀土的微合金化作用 —— 優(yōu)異的微觀組織和大幅提高使用性能 。 20 稀土在催滲的同時也能微量的滲入到工件表面、起微合金化作用，能成為碳化物的核心，使碳化物細小彌散分布，馬氏體超細化。稀土軟氮化白層致密不易出現(xiàn)疏松，同時滲層脆 性明顯改善，使?jié)B層的耐磨性、接觸疲勞和彎曲疲勞壽命提高 1～ 10 倍，安全可靠，產(chǎn)品質量穩(wěn)定 [9]。 硬度以及滲層厚度對比 常規(guī)氮化與稀土催滲氮化硬度以及滲層深度對照表（如下表 ） 表 常規(guī)氮化與稀土催滲氮化硬度以及滲層深度對照 硬度以及滲層深度檢測記錄表 試樣材料 各點檢測值（ HRC） 平均值（ HRC） 滲層深度（ mm） 常規(guī)氮化時間 稀土催滲時間 40Cr 鋼 16h 812h 45鋼 16h 812h 根據(jù)以上對照表 可以證實，氮化過程中稀土的加入，在一定范圍內隨稀土滴量的增加，氮化速度不斷提高。稀土催滲氮化層中白亮層組織致密。稀土催滲氮化層顯微硬度顯著提高。而且加入稀土能明顯的提高氣體滲氮的速度，在保證滲氮效果的條件下，可縮短滲氮周期 15％～ 30％ ,大大節(jié)省電源，效率大大提高效益也明顯提高。 稀土催滲氣體軟氮化滲層內部影像及外觀效果圖 經(jīng)過我們稀土催滲氣體軟氮化后的滲層內部影像及外觀圖 如圖 ，圖 3.5，圖 下所示。 下圖 是 中從 100 倍情況下的組織照片中金相組織觀察表明，稀土滲氮后化合物層較厚且致密，擴散層組織彌散細?。欢掖嘈砸裁黠@減?。粷B層的其它性能，如抗腐蝕性能、耐磨性能、彎曲疲勞和接觸疲勞壽命比常規(guī)氮化均可提高 15%30%左右。 21 圖 稀土催滲氣體軟氮化處理金相組織 圖 模具零件（導向條）稀土氮化外觀效果圖 上圖 是輪胎模具中連接中模套和滑塊、花紋塊的連接件，零件名稱導向條。在工作中對滑塊起導向作用，它承受壓力傳遞，把中模套垂直動作化為滑塊的徑向水 平開合動作，工作要求是能抗蝕性和耐磨性。通過稀土催滲氮化后零件外觀顏色呈銀灰色，抗蝕性和耐磨性比常規(guī)氮化綜合性能更高，使用壽命延長。 下圖 是稀土催滲氮化整套模具的外觀效果圖，外觀呈銀灰色；從 2020年 10 月起熱處理工序推廣和應用稀土催滲氮化工藝，在推廣應用根據(jù)很多客戶的反映，近段時間來的，模具的防銹能力比以前更強，使用性能更佳。 22 圖 整套模具稀土氮化效果圖 23 結 論 通過對比試驗，稀土在輪胎模具鋼氮化的催化效果明顯，同時也通過試驗我們總結和歸納出最新的催滲工藝和催滲劑配方，為提高產(chǎn)品質量，提高機械性能，增加使用壽命提供了新工藝和新方法。特別在目前國家提倡“節(jié)能減排”，可持續(xù)發(fā)展的大政方針下，該項工作尤為顯示出其重要性和迫切性。試驗證明稀土一般可以滲入工件 — ，比原工藝節(jié)能 16— 30%。 同時試驗證明稀土在輪胎模具鋼的氮 化催滲的作用具體如下： 稀土元素對氮碳共滲有明顯的催滲作用，加入稀土元素進行氮碳共滲處理的工件的滲層深度顯著加厚表面的顯微硬度也明顯提高。 不同工藝條件下，稀土－氮－碳共滲劑有一個合適配比。 在同樣的滲層厚度要求下，可縮短熱處理時間 1530％ ，降低熱處理溫度，從而節(jié)省能源和滲劑消耗，降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率。 材料的顯微組織顯著細化。稀土催滲滲氮可使 γ′ 相晶粒細化，晶界面缺陷增加，有利于氮原子的擴散。稀土的加入，使 γ′ 相中的空位、位錯環(huán)和層錯等晶體缺陷的數(shù)量增加，加速了氮原子的擴散。稀土 催滲滲氮可在表面厚度的鐵素體內產(chǎn)生高密度位錯，大大加快了滲氮時氮的擴散過程，這是稀土催滲滲氮的重要原因。 材料的性能包括硬度、耐磨性、耐疲勞性均有不同程度的提高。 稀土的微合金化作用 —— 優(yōu)異的微觀組織和大幅提高使用性能 。 稀土在催滲的同時也能微量的滲入到工件表面、起微合金化作用，能成為碳化物的核心，使碳化物細小彌散分布，馬氏體超細化。稀土軟氮化白層致密不易出現(xiàn)疏松，同時滲層脆性明顯改善，使?jié)B層的耐磨性、接觸疲勞和彎曲疲勞壽命提高 1～ 10 倍，安全可靠，產(chǎn)品質量穩(wěn)定。 24 致 謝 本次試驗研究得到了公 司專家以及相關的技術人員的大力支持 ,在試驗期間得到了熱處理車間操作人員的熱心幫助。撰寫論文期間得到了廣東工業(yè)大學謝小柱副教授的親臨指導 ,在此表示衷心的感謝。 25 參 考 文 獻 [1] 樊華． 20CrMnTi鋼稀土低溫滲碳工藝及應用的研究 [J]．南華大學學報 (理工版 )， 2020， 17(03)： 8586. [2] 袁澤喜 ,余宗森 .鋼中稀土對表面滲碳的促滲作用 [J]．中國稀土學報 ,1999， (01)： 4243. [3] 吳元徽 .熱處理工技師培訓教材 [M]．北京 :機械工業(yè)出版社 ,2020： 124132. [4] 張金柱 ,楊宗倫 ,魏可媛．稀土元素在化學熱處理中的催滲和擴散機理研究 [J]。材料導報 ， 2020， (S1)： 223224. [5] 初紅杰 .熱處理工工藝與技能訓練 [M]．北京 :中國勞動社會保障出版社 ,2020： 9811. [6] 張津．稀土離子氮化層的組織結構觀察和分析 [J]．中國稀土學報， 2020， (03)：3037. [7] 張妍 ,宋緒丁 .高速鋼稀土 SNC 共滲的組織和性能研究及應用 [J]．表面技術 ,2020， (02)： 4546. [8] 趙峰 .表面工程技術在模具制造中的應用與進展 [J]．陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院學報 ,2020， (01)： 78. [9] 范傳光 ,蔣昌生 ,劉炎 .滴注式氣體滲碳稀土催滲的生產(chǎn)試驗 [J]．江西冶金 ,1991， (05)： 25.