模具氮化处理：硬度、层深与适用钢种

参数速查表

一、硬度：能到多高，由什么决定

氮化硬度来自表面形成的氮化物弥散层。H13 含 Cr 约 5%、Mo 约 1.5%、V 约 1%，Cr 与 N 生成 CrN、Cr₂N，硬度可达 900–1100 HV；38CrMoAl 靠 AlN 析出，硬度可到 1100–1200 HV，是氮化专用钢的基准。硬度不是越高越好：白亮层超过 10 μm 时，压铸模在热循环下易起微裂纹并剥落。实测控制区间为 900–1050 HV、白亮层 3–8 μm，兼顾耐磨与抗热疲劳。检测用 0.2–0.3 kg 载荷维氏硬度，避免压穿薄白亮层读到基体值；同一试样取 5 点，极差超过 80 HV 说明炉内气流或温度不均，需查装炉方式。氮化前基体必须调质到 45–52 HRC，心部硬度不足时，硬化层如同硬壳压软基，服役中会整体塌陷。

二、层深：按载荷与模面选，不按“越深越好”

总渗层深度由温度和时间共同决定，540 ℃×8 h 在 H13 上约得 0.20 mm，500 ℃×8 h 约 0.12 mm。工程上按模面接触应力选：普通压铸模 0.10–0.15 mm，热锻模与冲头 0.20–0.30 mm，超过 0.35 mm 收益递减且脆性上升。层深检测用金相法测至与基体硬度分界，或测硬度梯度至高于基体 50 HV 处。需注意尖角与薄壁处氮势集中，层深可比平面高 30%–50%，设计时把 R 角做到 ≥1 mm，螺纹与键槽用镀铜或涂料防渗。氮化后不再进行高于 500 ℃的返修加热，否则硬化层退化。

三、适用钢种：H13 是主力，38CrMoAl 是标尺

H13（4Cr5MoSiV1）是压铸、热挤压模氮化的主力钢种，供货态有热轧圆钢、热轧钢板与冷轧钢板，氮化前统一调质。含 Cr 量低于 2% 的碳素工具钢与低合金钢，氮化硬度只有 500–600 HV，意义有限。渗氮钢按 GB/T 37618-2019 选用，38CrMoAl 适合要求高硬度、小变形的塑料模与精密件。不锈钢与高 Cr 模具钢需先去钝化膜，离子氮化可借溅射清理直接处理。冷作模若以耐磨为主，可选用含 V、Nb 的渗氮钢，硬度与韧性平衡更好。

四、工艺控制：温度、气氛与变形

离子氮化按 GB/T 34883-2017 执行，炉压 100–400 Pa，电压 500–700 V，540 ℃×6 h 可得 0.15 mm 层深，变形一般 ≤0.02 mm。气体氮化氨分解率保温段控 25%–35%，温度均匀性 ±5 ℃以内，否则同炉硬度散差可达 100 HV。升温速度 ≤100 ℃/h，厚大模块需分段均温。氮化前表面粗糙度 Ra ≤0.8 μm，油污与锈斑会造成渗层不均。处理后随炉冷至 200 ℃以下出炉，避免氧化色影响后续装配。

五、质量检验与失效判据

检验三项：表面硬度（维氏 0.2 kg，5 点取均值）、层深（金相或硬度梯度）、脆性（维氏压痕 1–2 级合格）。另查白亮层连续性与表面氧化色。常见失效为白亮层剥落与层深不足：前者多因白亮层超 10 μm 或氮势过高，后者多因温度偏低、时间不足或装炉过密。返修只能重新氮化（补渗），不可用磨削去除后直接使用，磨削量超过 0.05 mm 会显著降低剩余层深。

常见问题

Q：H13 氮化后表面硬度只有 700 HV，什么原因？

A：多为氮化前调质硬度不足（低于 45 HRC）或炉内氨分解率偏高，先复测基体硬度，再核对 540 ℃保温段分解率是否在 25%–35%。

Q：白亮层多厚合适？

A：压铸模 3–8 μm，冲压与塑料模可放宽到 10 μm；超过 10 μm 在热循环下易剥落。

Q：氮化后尺寸涨多少？

A：500–540 ℃离子氮化一般 ≤0.02 mm，精加工时预留 0.02–0.05 mm 余量，按试块实测修正。

Q：螺纹和键槽要不要防渗？

A：要。用镀铜或防渗涂料屏蔽，否则层深 0.10 mm 以上会造成装配过盈与脆断。

Q：氮化件能不能补焊或重新淬火？

A：不能直接补焊，需先磨去硬化层；重新淬火须在保护气氛下进行并重新氮化，否则表面氮化物分解、硬度归零。