一、來樣

本文從國內主要鋁合金型材加工濰坊臨朐一家型材模具氮化公司索取一只失效電加工鋁合金型材模具，提供分析。本文提供“高品質氮化在鋁合金型材模具上的應用”課題，作為新型型材模具和現生產型材模具對比分析。

二、來樣宏觀狀態

宏觀狀態 電加工取樣部位

圖1 來樣宏觀狀態

圖1中示出來樣宏觀狀態，左圖中黑線是取樣部位。外園處是模具非工作部位主要檢測，檢測模具氮化原始狀態；電加工部位是模具運行主要工作部位，檢測模具運行狀態。電加工取樣部位中，能夠看到明顯的氮化狀態（圖中黑線條）。

三、 來樣微觀狀態

① 外圓微觀組織狀態       

100×

500×

圖2 來樣微觀狀態（外圓非工作原始氮化狀態）

從圖2中可以看出，原始氮化層比較厚；氮化層中化合物層也比較厚，厚度為20.3um；整個氮化層中的脈狀組織比較多，占整個氮化層的2/3，一些部分已經連成條。圖3示出外圓氮化層硬度梯度曲線，外圓氮化層厚度高達0.657mm，超過780HV硬度區厚度高達0.35mm，是嚴重的過氮化狀態。

圖3 外圓氮化層硬度梯度曲線

② 工作部位微觀組織狀態

50×

50×

100×

100×

500×

500×

圖4  工作部位微觀組織狀態

圖4示出工作部位微觀組織狀態，50倍的T字形部位和尖角部位脈狀組織密集、連成網狀、產生很深裂紋；100倍的尖角部位和窄縫部位的脈狀組織也很密集、連成網狀；500倍下看到的這種現象更為明顯。在圖4中基本上看不到化合物層，從起表面特征來看，已經是全部脫落狀態。

四、分析

我們通過30來年的生產實際中，總結過如圖5中所示的常規氮化缺陷。圖6中示出金屬磨粒磨損示意圖，圖中示出的照片是在生產實際運行的模具失效檢測中發現的。金屬的磨粒磨損、黏著磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損四大類磨損中磨粒磨損約占60%，也就是說磨粒磨損占金屬磨損的很大比例，值得引起重視。常規氮化層中的缺陷在模具生產運行中出現的帶尖角的硬顆粒非常有害，不但破壞模具減少使用壽命外，對工件的損傷是格外嚴重的。

圖6  金屬磨粒磨損示意圖

上文所述，來樣失效模具原始氮化層中存在很厚的化合物層，可是工作部位上基本上看不到化合物層。化合物層是堅硬而脆的組織，外來應力下很容易破裂脫落。從來樣失效模具宏觀狀態和微觀狀態來看，該模具在很短工作時間內化合物層全部破裂脫落。模具原始氮化層中的化合物層很厚，但工作部位已經看不到化合物層了，說明化合物層在工作沖擊下很快脫落了。可以想象原始氮化層中有那么厚的化合物層，工作部位不可能沒有化合物層的。

來樣失效模具中的脈狀組織非常嚴重，大部分部位脈狀組織都已形成網狀。實際上氮化層的擴散層中的脈狀組織是微裂紋，外來應力沖擊下很容易破裂脫落。脈狀組織形成這種網狀時，破裂脫落是更加迅速的。50倍下看到的很深裂紋，是在脈狀組織破裂脫落帶動下產生的。

通過多年的艱苦努力做到了如圖7中所示的沒有上述氮化層缺陷的高品質氮化，應用到盡快“哈特貝爾”快鍛機模具，使用效果很好，得到了用戶的認可和青睞。

圖7 高品質氮化技術氮化層（無化合物層、脈狀組織，無過氮化、欠氮化，硬度梯度平緩）

圖8 日本東方河田一喜提出的無化合物層、脈狀組織氮化層

前幾天拜讀了日本東方公司（我國最大熱處理公司“豐東”的早期合資公司，本文曾經在該公司學習一年氮化技術）河田一喜的《氮化、滲碳、離子CVD》一書，圖8中示出他對無化合物層、脈狀組織的敘述。他在書中多次敘述，這種高品質氮化在熱作模具應用中有著非常明顯可觀的使用壽命提高和經濟效益，進一步壽命高品質氮化的可行性。我的交往20多年的韓國朋友（“MIRETHERMOTEC-PVD、梯度、氮化”）裴珍范社長前幾天也來信說，這種高品質氮化在韓國得到型材模具使用壽命的大幅度提高。

2020年8月我們拜訪了“太平洋”、“森威”、“常州龍城”、“湖州辛子”、“一汽標準件”、“日資太倉置田”等六家國內知名的精鍛企業，并做了六家精鍛模具的失效分析。通過失效分析發現，六家精鍛模具的氮化都存在我們提出的氮化缺陷，嚴重影響氮化模具使用壽命。說明國內熱作模具氮化還沒能達到高品質氮化水平，需要我們推廣應用。

通過國內鋁合金型材模具市場調查發現，沒有一家使用這種高品質氮化技術。國內鋁合金型材加工企業，據知僅山東就有幾百家，需要我們努力操作。

五、結論

通過分析認為，克服常規氮化缺陷、應用高品質氮化是，提高熱作模具壽命的確實有效的方法。