汽车模具的离子渗氮技术

离子渗氮具有渗氮速度快，渗层性能好、节能环保等优点，能有效提高钢铁金属零件的耐磨性、疲劳强度、抗蚀性及抗烧性等性能。在现代制造业中得到了广泛应用。

近年来出现了一些新的离子渗氮、等离子体源技术，如活性屏离子渗氮、等离子体源离子渗氮技术有着明显的设备和工艺优势，可能成为离子渗氮技术的发展方向。

汽车模具的特点

汽车模具一般分为两大类：一是冷作模具，如汽车覆盖件类模具；二是热作模具，如汽车的一些配件热锻模具。

1.冷作模具

汽车制造业中大型冷作模具主要是汽车覆盖件类模具，其外型尺寸大，质量大，主要为铸铁或铸钢制造。这些模具的使用寿命主要取决于模具材料、制造和装配精度以及模具表面的耐磨性。在汽车工业中，轿车大型覆盖件拉延成型模具常用灰铸铁、球墨铸铁、合金铸铁或铸钢制造，模具外形尺寸达5-6m，模具单件质量达20-30t。并且由于现代轿车覆盖件模具正向高效长寿命和大型高精度方向发展，模具形状愈来愈杂，对模具要求也越来越高。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。

2.热作模具

汽车热作模具种类繁多，模具工作条件和失效形式复杂。此类热锻模具在热态下工作时，模具工作表面要承受反复的加热和冷却，产生一定的热应力；同时还需反复承受不同程度的机械应力，尤其要承受很大的动载应力，使模具材料内部受到交变的拉压应力，从而使金属组织内产生晶格空位，逐步形成微细裂纹，造成型腔龟裂。另外，由于模具冷却不佳，会发生粘模现象，使模具表面温度升高，塑性增加，模腔在压应力和剪应力不断的作用下，产生型腔变形。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。并非所有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。

活性屏离子渗氮技术

1999年，卢森堡的Georges J发明了活性屏离子渗氮技术。活性屏离子渗氮设备的炉体为阳极，金属屏为阴极，接直流或脉冲电压，而工件置于金属屏内部悬浮，金属屏由不锈钢丝结成网状结构。其原理是将高压电源的负极接在真空室内金属屏上，被处理的工件置于金属屏内，当金属屏接通高压电源后，低压反应室内的气体被电离，在电场的作用下，被激活的气体离子轰击金属屏使金属屏升温；同时，在离子轰击下不断有铁或铁的氮化物微粒被溅射出来，以微粒的形式沉积到工件表面，微粒中的氮向工件内部扩散，达到渗氮的目的。在活性屏离子渗氮过程中，金属屏同时起到两个作用：一是通过辐射将工件加热到渗氮处理所需的温度；二是向工件表面提供铁或铁的氮化物微粒。

活性屏离子渗氮技术的特点是：在渗氮过程中，工件处于悬浮状态，离子轰击金属屏而不是工件本身。与常规离子渗氮相比，该技术可以处理不同形状的工件，并能消除边缘效应以及空心阴极效应，还能方便地测量工件的温度等。

离子渗氮设备

离子渗氮设备一般由炉体、进气系统、排气系统、电源系统及控制系统组成。

设备参数：离子渗氮设备的工作参数随炉体的大小而有所不同。影响渗氮工艺的参数主要有电源总功率、直流输出电压、整流最大输出电流、脉冲输出电压、脉冲输出最大峰值电流、脉冲频率等。整个系统通过控制系统对工艺处理过程进行自动控制、自动完成，设备可靠、处理质量稳定。

离子渗氮设备节能改造：离子渗氮消耗的能量主要有电能和热能，节能设备改造主要从降低电能和热能的消耗角度考虑。

模具渗氮生产实例

汽车热制作模具种类繁多，模具工作条件和失效形式复杂，模具工作表面要承受反复的加热和冷却，因而一般汽车热作模具使用寿命都比较低。现以汽车某一热挤压齿轮模渗氮为例，介绍渗氮工艺及其具体的操作过程。

离子渗氮设备：模具离子渗氮用直径1000mm自动控制脉冲电源离子渗氮炉。并对离子渗氮?进行了节能改造，增加保温屏。

渗氮工艺：

(1)渗氮前的热处理。热挤压齿轮模渗氮前的具体热处理工艺为：首先加热到1050℃后淬火，然后进行2-3次回火处理，回火温度为580℃。此时膜具的硬度为400-450HV。必须注意热处理中回火工序的加热温度至少要比渗氮温度高20℃一40℃。否则，模具在氮化过程中，由于氮化温度超过了回火温度，使回火后的基体组织及力学性能发生变化，零件产生无规律变形。

(2)把模具表面进行去污、脱油处理，再装炉。抽真空，当真空度为10-20Pa时，通NH3，当气压为500Pa时开启电源，设定放电电压为760-780V，继续通气，当气压达到2000-3000Pa时停止通气。同时升温到520℃，保温10-11h后关机取出模具。

(3)温度控制。对于热挤压模，它的渗氮温度一般为510℃-550℃。虽然渗氮层的厚度随渗氮处理温度的升高而增加，但其抗腐蚀性能则随着渗氮处理温度的升高而下降。因此渗氮温度过高反而不好，它会使氮化物粗化、表层硬度下降并降低抗粘模能力；而同时渗氮温度低时渗氮层薄，满足不了使用要求。

(4)渗氮时间。为了提高热挤压齿轮模具的寿命，根据生产实际经验，要求模具的渗层深度达到0.2-0.3mm，所以需要渗氮10-11h，渗氮这么长时间后能达到所要求的厚度。

(5)渗氮气氛。热挤压齿轮模的渗氮气氛为纯NH3，主要是因为使用纯NH3非常方便，价格便宜，并且获得渗层组织硬度高，耐磨性好但用纯NH3容易造成零件温度不均匀(受分解率的影响)，并且渗氮层的组织无法控制，渗层脆性大，因此只适于要求不高的模具。热挤压齿轮模疲劳强度较低，不受冲击载荷，所以使用NH3能满足使用要求。

(6)气体压力。热挤压齿轮模的渗氮压力约为2000-3000Pa，比常用离子渗氮压力高，这样既可以加快离子渗氮速度，又可以使炉里温度均匀。

(7)放电电压。热挤压齿轮模采用的放电电压为760-780V。电压越高，离子的能量就越大，因此放电电压能加快离子渗氮速度，影响零件尺寸，使膨胀量增大。

(8)离子渗氮电源。热挤压齿轮模采用的脉冲电源，因为脉冲电源较传统的直流电源相比，它有利于对复杂表面进行离子渗氮，保证零件表面不受弧光损伤、节约能源等优点，所以目前国内大多数采用脉冲电源。

使用效果：热挤压齿轮模经过离子渗氮后，表面硬度提高了近200HV左右。装配好后试机试生产表明，经过离子渗氮后，热挤压齿轮模具能够挤压生产零件2000-2200个，而没有进行离子渗氮的模具只能挤压生产零件800-1000个，模具寿命提高了2倍多。

采用离子渗氮技术能进一步提高汽车模具使用寿命，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，使模具寿命大大延长。