冷冲压模具的热处理工艺模板.doc

5.1 冷冲压模具常规热处理工艺
1退火
将组织偏离平衡状态钢加热到合适温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（通常为随炉冷却），以取得靠近平衡状态组织热处理工艺叫做退火。

图5-1 碳钢多种退火和正火工艺规范示意图
依据处理目标和要求不一样，钢退火可分为完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火等等。多种退火加热温度范围和工艺曲线图5-1所表示。

（1）完全退火
完全退火又称重结晶退火，是把钢加热至Ac3以上20-30℃，保温一定时间后缓慢冷却（随炉冷却或埋入石灰和砂中冷却），以取得靠近平衡组织热处理工艺。亚共析钢经完全退火后得到组织是F＋P。
完全退火目标在于，经过完全重结晶，使热加工造成粗大，不均匀组织化和细化，以提升性能；或使中碳以上碳钢和合金钢得到靠近平衡状态组织，以降低硬度，改善切削加工性能。因为冷却速度缓慢，还能够消除内应力。
45钢经铸造及完全退火后性能见表5-1
表5-1 45钢铸造后和完全退火后机械性能比较
状态
σb/MPa
σs/MPa
Б5/%
Ψ/%
ak/KJ·m-2
HB
铸造后
完全退火
650-750
600-700
300-400
300-350
5-15
15-20
20-40
40-50
200-400
400-600
≤229
≤207

完全退火关键用于亚共析钢，过共析钢不宜采取，因为加热到Accm以上慢冷时，二次渗碳体会以网状形式沿奥氏体晶界析出，使钢韧性大大下降，并可能在以后热处理中引发裂纹。
（2）等温退火
等温退火是将钢件或毛坯加热到高于Ac3(或Ac1)温度，保温合适时间后，较快地冷却到珠光体区某一温度，并等温保持，使奥氏体转变为珠光体组织，然后缓慢冷却热处理工艺。
等温退火目标和完全退火相同，但转变较易控制，能取得均匀预期组织；对于奥氏体较稳定合金钢，常可大大缩短退火时间。
（3）球化退火
球化退火为使钢中碳化物球状化热处理工艺。
球化退火关键用于过共析钢如工具钢、滚珠轴承钢，目标是使二次渗碳体及珠光体中渗碳体球状化（退火前正火将网状渗碳体破碎），以降低硬度，改善切削加工性能；并为以后淬火作组织准备。
球化退火通常采取随炉加热，加热温度略高于Ac1，一边保留较多未溶碳化物粒子或较大奥氏体中碳浓度分布不均匀性，促进球状碳化物形成。若加热温度过高，二次渗碳体易在慢冷时以网状形式析出。球化退火需要较长保温时间来确保二次渗碳体自发球化。保温后随炉冷却，在经过Ar1温度范围时，应足够缓慢，以使奥氏体进行共析转变时，以未溶渗碳体粒子为关键形成粒状渗碳体。
（4） 扩散退火
为降低钢锭、铸件或锻坯化学成份和组织不均匀性，将其加热到略低于固相线温度，长时间保温并进行冷却热处理工艺，称之为扩散退火或均匀化退火。
扩散退火加热温度通常选定在钢熔点以下100 ℃---200 ℃，保温时间通常为10h--15h。加热温度提升时，扩散时间能够缩短。
扩散退火后钢晶粒很粗大，所以通常再进行完全退火或正火处理。
（5） 去应力退火
为消除铸造、铸造、焊接和机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成残余内应力而进行低温退火，称之为应力退火。去应力退火是将钢件加热至低于Ac1某一温度（通常为500 ℃--650 ℃)，保温，然后随炉冷却，这种处理能够消除约50%--80%内应力，不引发组织改变。
2.正火
钢材或钢件加热到Ac3（亚共析钢）、Ac1（共析钢）和Accm（过共析钢）以上30 ℃--50 ℃，保温合适时间后，在自由流动空气中均匀冷却热处理称为正火。正火后组织：亚共析钢为F+S，过共析钢为S+Fe3CⅡ。
正火和完全退火关键差异在于冷却速度快些，目标是使钢组织正常化，所以亦称常化处理，通常应用于以下方面：
（1） 作为最终热处理 正火能够细化晶粒，使组织均匀化，降低亚共析钢中铁素体含量，使珠光体含量增多并细化，从而提升钢强度、硬度和韧性。对于一般结构钢零件，机械性能要求不很高时，能够正火作为最终热处理。
（2） 作为预先热处理 截面较大合金结构钢件，在淬火或调质处理（淬火加高温回火）前常进行淬火，以消除魏氏组织和带状组织，并取得细小而均匀组织。对于过共析钢可降低二次渗碳体量，并使其不形成连续网状，为球化退火做组织准备。
（3） 改善切削加工性能 低碳钢或低碳合金钢退火后硬度太低，不便于切削加工。正火可提升硬度，改善其切削加工性能。
3.淬火
将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却以取得马氏体组织热处理工艺称为淬火。淬火是钢最关键强化方法。
（1）淬火工艺
{1} 淬火温度选定
在通常情况下，亚共析钢淬火加热温度为Ac3以上30 ℃---50 ℃ :共析钢和过共析钢淬火加热温度为Ac1以上30 ℃---50 ℃(见图5-2)

图5-2 钢淬火温度范围

亚共析钢加热到Ac3以下时，淬火组织中会保留自由铁素体，使钢硬度降低。过共析钢加热到Ac1以上两相区时，组织中会保留少许二次渗碳体，而有利于钢硬度和耐磨性，而且，因为降低了奥氏体中碳质量分数，能够改变马氏体形态，从而降低马氏体脆性。另外，还可降低淬火后残余奥氏体量。若淬火温度太高，会形成粗大马氏体，使机械性能恶化；同时也增大淬火应力，使变形和开裂倾向增大。
{2}加热时间确实定
加热时间包含升温和保温两个阶段。通常以装炉后炉温达成淬火温度所需时间为升温阶段，并以此作为保温时间开始，保温阶段是指钢件温度均匀并完成奥氏体化所需时间
{3}淬火冷却介质
常见冷却介质是水和油。
水在650 ℃---550 ℃范围冷却能力较大。所以易造成零件变形和开裂，这是它最大缺点，提升水温能降低650 C---550 C范围冷却能力，但对300 ℃----200 ℃冷却能力几乎没有影响。这既不利淬硬，也不能避免变形，所以淬火用水温度控制在30 ℃以下。水在生产上关键用于形状简单、截面较大碳钢零件淬火。
淬火用油为多种矿物油（如锭子油、变压器油等）。它优点是在300 ℃--200 ℃范围冷却能力低，有利于降低工件变形；缺点是650 ℃---550 ℃范围冷却能力也低，不利于钢淬硬，所以由通常见作为合金钢淬火介质。
为了降低零件淬火时变形，可用盐浴作淬火介质。常见碱浴、硝盐浴成份、熔点及使用温度见表5-2.
表5-2 热处理常见盐浴成份、熔点及使用温度
熔盐
成份
熔点/℃
使用温度/℃
碱浴
80%KOH＋20%NaOH＋6%H2O(外加)
130
140-250
硝盐
55%KNO3＋45%NaNO2
137
150-500
硝盐
55%KNO3＋45%NaNO3
218
230-550
中性盐
30%KCl＋20%NaCl＋50%BaCl2
560
580-800

这些介质关键用于分级淬火和等温淬火。其特点是沸点高，冷却能力介于水和油之间，常见于处理形状复杂、尺寸较小、变形要求严格工具等。
{4}淬火方法
常见淬火方法有单介质淬火、双介质淬火、分级淬火和等温淬火等（图5-3）。

图5-3 不一样淬火方法示意图

单介质淬火方法采取一个介质冷却，操作简单，易实现机械化，应用较广。缺点是水淬变形开裂倾向大；油淬冷却速度小，淬透直径小，大件淬不硬。
双介质淬火和分级淬火能有效地降低热应力和相变应力，降低工件变形和开裂倾向，所以可用于形状复杂和截面不均匀工件淬火。
等温淬火大大降低钢件内应力，降低变形，适适用于处理复杂和精度要求高小件，如弹簧、螺栓、小齿轮、轴及丝锥等，也可用于高合金钢较大截面零件淬火。其缺点是生产周期长、生产效率低。
（2） 钢淬透性
{1}钢淬透性及其测定方法
钢接收淬火时形成马氏体能力叫做钢淬透性。不一样成份钢淬火时形成马氏体能力不一样，轻易形成马氏体钢淬透性高（好），反之则低（差）。如直径为30mm45钢和40CrNiMo试棒，加热到奥氏体区（840 ℃），然后全部用水进行淬火。分析两根试棒截面组织，测定其硬度。结果是45钢试棒表面组织是马氏体，而心部组织为铁素体+索氏体。表面硬度为55HRC。心部硬度仅为20HRC，表示45钢试棒心部未淬火。而40CrNiMo钢试棒则表面至心部均为马氏体组织，硬度全部为55HRC，可见40CrNiMo淬透性比45钢要好。
淬透性可用“末端淬火法”来测定。将标准试样（25*100mm）加热奥氏体化后，快速放入末端淬火试验机冷却孔中，喷水冷却。要求喷水管内径12.5mm，水柱自由高度65mm+5mm，水温20 ℃---30 ℃。图5-4为末端淬火法示意图。显然，喷水端冷却速度较大距末端沿轴向距离增大，冷却速度逐步减小，其组织及硬度亦逐步改变。在试样侧面沿长度方向磨一深度0.2mm--0.5mm窄条平面，然后从末端开始，每隔一定距离测量一个硬度值，即可测得试样沿长度方向上硬度改变，所得曲线称为淬透性曲线[图5-5）]
试验测出多种钢淬透性曲线均搜集在相关手册中。同一牌号钢，因为化学成份和晶粒度差异，淬透性曲线实际上为有一定波动范围淬透性带。

图5-4 试样尺寸及冷却方法 图5-5 淬透性曲线测定

依据GB225-63要求，钢淬透性值用J HRC/d表示。其中J表示末端淬火淬透性，d表示距水冷端距离，HRC为该处硬度。比如，淬透性值J42/5，表示距水冷端5mm试样硬度为42HRC。
在实际生产中，往往要测定淬火工件淬透层深度，所谓淬透层深度即使从试样表面至半马氏体区（马氏体和非马氏体组织各占二分之一）距离。在一样淬火条件下，淬透层深度越大，则反应钢淬透性越好。
半马氏体组织比较轻易由显微镜或硬度改变来确定。马氏体中含非马氏体组织量不多时，硬度改变不大；非马氏体组织量增至50%时，硬度陡然下降，
曲线上出现显著转折点，图5-6所表示，另外，在淬火试样断口上，也能够看到以半马氏体为界，发生由脆性断裂过分为韧性断裂改变，而且其酸蚀断面
展现显著明暗界线。半马氏体组织和马氏体一样，硬度关键和碳质量分数相关，而和合金元素质量分数关系不大，图5-7所表示。

图5-6淬火试样断面上马氏体量和硬度改变

图5-7 半马氏体硬度和碳质量分数关系曲线

值得注意是，钢淬透性和实际工作淬透层深度并不相同。淬透性是钢在要求条件下一个工艺性能，而淬透层深度是指实际工作在具体条件下淬火
得到表面和马氏体到半马氏体处距离，它和钢淬透性、工作截面尺寸和淬火介质冷却能力等相关。淬透性好，工件截面小、淬火介质冷却能力
强则淬透层深度越大。
钢淬火后硬度会大幅度提升，能够达成最高硬度叫钢淬硬性，它关键决定和马氏体碳含量。
2影响淬透性原因
钢淬透性由其临界冷却速度决定。临界冷却速度越小，即奥氏体越稳定，则钢淬透性越好。所以，通常影响奥氏体稳定原因，均影响钢淬透性。
a 碳质量分数
对于碳钢，碳质量分数影响钢临界冷却速度。亚共析钢随碳质量分数降低，临界冷却速度增大，淬透性降低。过共析钢随碳质量分数增加，临界冷却
速度增大，淬透性降低。在碳钢中，共析钢临界临近冷却速度最小，其淬透性越好。
b 合金元素
除钴以外，其它合金元素溶于奥氏体后，降低临界冷却速度，使C曲线右移，提升钢淬透性，所以合金钢往往比碳钢淬透性要好。
c奥氏体化温度
提升奥氏体化温度，将使奥氏体晶粒长大、成份均匀，可降低珠光体生核率，降低钢临界冷却速度，增加其淬透性。
d 钢中未溶第二相
钢中未溶入奥氏体中碳化物、氮化物及其它非金属杂物，可称为奥氏体分解非自发关键，使临界冷却速度增大，降低淬透性。
3淬透性曲线应用
利用淬透性曲线，可比较不一样钢种淬透性。淬透性是钢材选择关键依据之一。利用半马氏体硬度曲线和淬透性曲线，找出钢半马氏体区所对应
距水冷端距离。该距离越大，则淬透性越好【图 5-8，由图中可知40Cr钢淬透性比45钢要好。

图5-8 45钢和40Cr钢淬透性曲线

淬透性不一样钢材经调质处理后，沿截面组织和机械性能差异很大（图 5-9）。图中40CrNiMo钢棒整个截面全部是回火索氏体，机械性能均匀，强度高，
韧性好。而40Cr、40钢全部为片状索氏体+铁素体，表层为回火索氏体，心部强韧性差。截面较大、形状复杂和受力较苛刻螺栓、拉杆、锤杆等工作，要
求截面机械性均匀，应选择淬透性好钢。而承受弯曲或扭转载荷轴类零件、外层受力较大，心部受力较小，可选择淬透性较低钢种。

图5-9 淬透性不一样钢调质后机械性能比较

4.回火
钢件淬火后，为了消除内应力并取得所需求组织和性能，将其加热到Ac、以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温热处理工艺叫做回火。
淬火钢通常不直接使用，必需进行回火。这是因为：第一，淬火后得到是性能很脆马氏体组织，并存在有内应力；轻易产生变形和开裂;第二，淬火马氏体和残余奥氏体全部是不稳定组织，在工作中发生分解，造成零件尺寸改变，而这对精密零件是不许可，第三，为了取得要求强度、硬度、塑性和韧性，以满足零件使用要求。
依据回火温度高低，通常将回火分为三种：
（1）低温回火
回火温度为150℃---250 ℃。在低温回火时，从淬火马氏体内部会析出碳化物（Fe2,4C）薄片，马氏体过饱和度减小。部分残余奥氏体转变为下贝氏体，但量不多。所以低温回火后组织为回火马氏体+残余奥氏体。下贝氏体量少可忽略。其中回火马氏体（回火M）有极细碳化物和低过饱和度固溶体组成。在显微镜下，高碳回火马氏体为黑针状，低碳回火马氏体为暗板条状，中碳回火马氏体为二者混合物。
低温回火目标是降低淬火应力，提升工件韧性，确保淬火后高硬度（通常为58HRC----64HRC）和高耐磨性。关键用于处理多种高碳钢工具、模具、滚动轴承和渗碳和表面淬火零件。
（2）中温回火
回火温度为350 ℃--500 ℃，得到铁素体基础和大量弥散分布细粒状渗碳体混合组织，叫做回火屈氏体（回火T）。铁素体仍保留马氏体形态，渗碳体比回火马氏体中碳化物粗。
回火屈氏体含有高弹性极限和屈服强度，同时也含有一定韧性，硬度通常为35HRC---45HRC。关键用于处理各类弹簧。
（3）高温回火
回火温度为500 ℃--650 ℃，得到细粒状渗碳体和铁素体混合组织，称回火索氏体（图5-10）。

图5-10 回火索氏体500×

回火索氏体（回火S）综合机械性能最好，即强度、塑性和韧性全部比很好，硬度通常为25HRC---35HRC.通常把淬火加高温回火称为调质处理，它广泛用于多种关键机器结构件，尤其是受交变载荷零件，如连杆、轴、齿轮等。也可作为一些精密工件如量具、模具等预先热处理。
钢调质处理后机械性能和正火相比，不仅强度高，而且塑性和韧性也比很好（表5-3）。这和它们组织形态相关，调质得到是回火索氏体，其渗碳体为粒状；正火得到是索氏体+铁素体，索氏体中渗碳体为片状，粒状渗碳体对阻止断裂过程发展比片状渗碳体有利。
表5-3 45钢（Ф20mm-Ф40mm）调质和正火后机械性能比较
工艺
机械性能
组织
σb/MPa
Б
Ak/KJ·m-2
HB
正火
调质
700-800
750-850
12%-20%
20%-25%
500-800
800-1200
163-220
210-250
细片状珠光体＋铁素体
回火马氏体

伴随回火温度升高，碳钢硬度、强度降低，塑性提升。但回火温度太高，则塑性会有所下降（图5-11，图5-12）。

图5-11 钢硬度随回火温度改变

图5-12 40钢机械性能和回火温度关系

图5-13表示淬火钢回火过程中马氏体碳质量分数、残余奥氏体量、内应力和碳化物粒子大小随回火温度改变。
需要指出是钢在回火时会产生回火脆性现象，即在250 C--400 C和450 C---650 C两个温度区间回火后，钢冲击韧性显著下降。这种现象合金钢中比较显著，应该设法避免。

图5-13 淬火钢中马氏体碳质量分数、残余奥氏体量、内应力及碳化物粒子大小和回火温度关系

5.2 冷冲压模具表面热处理工艺
1.火焰表面加热淬火
火焰表面加热淬火是经过喷嘴将火焰（通常见氧-乙炔）喷射到工件表面，将工件快速加热到淬火温度，然后在要求冷却介质中冷却到室温热处理工艺。即使该工艺比高频感应加热淬火落后，但和感应加热表面淬火相比，火焰表面加热淬火设备简单、操作方便，尤其适合大型模具零件和小批量、多品种模具零件热处理。
中国现在多用手工火焰加热淬火，缺点较多，若能改用机械化、自动化程度高方法，则淬火质量更能确保并深入提升。
模具火焰加热淬火后能取得最高硬度，决定于钢含碳量及淬火温度和冷却速度等原因。火焰淬火假如是手工操作，则是一个技巧性很强操作，必需配置适宜工具。冷作模具钢均可进行火焰加热淬火且不造成裂纹。球墨铸铁、合金铸铁也能够进行火焰加热淬火。
火焰淬火加热时应注意预防过热，避免氧化和晶粒粗大化。淬火后提议在180-200℃进行回火。大型模具零件不便回火，可利用火焰局部加热或自回火。
2电解液表面加热淬火
电解液加热是以直流电为电源在电解液中进行，适适用于表面加热淬火电解液很多，通常采取（质量分数为8%-10%）Na2CO3水溶液。
电解液表面淬火原理见图5-13。工件置于电解液中（局部或全部）作为阴极，金属电解槽作为阳极。电路接通后，电解液发生电离，在阳极上放出氧，在阴极上放出氢。氢围绕工件形成气膜，产生很大电阻，经过电流转化为热能将工件表面快速加热到临界点以上温度。电路断开气膜消失，加热工件在电解液中即实现淬火冷却。此方法使用设备简单，淬火变形小，适适用于形状简单、小工件批量生产。
电解液温度不能超出60℃。温度过高，氢气膜不稳定，影响加热过程，还会加速溶液蒸发。常见电压为160-180V，最高不超出260V，电流密度范围4-10A/cm2，通常可选择6 A/cm2。电流密度过大时，加热速度快，淬硬层薄。在加热过程中，应将工件位置加以固定，不然会造成电流密度改变，使淬硬层质量恶化。加热时间可经过试验确定。工件在电解液中可采取端部自由加热、端部绝缘加热、回转加热和连续加热等方法。

图5-13 电解液表面加热淬火原理
5.3 冷冲压模具化学热处理工艺
模具表面化学热处理强化是指将模具零件治愈铁定置于特定活性介质中加热和保温，是一个或多个元素渗透模具零件表面，以改变表层化学成份，组织，是表层含有和心全部不一样力学性能或特殊物理，化学性能热处理工艺。化学热处理种类很多，通常以渗透元素来命名依据渗透元素不一样，模具化学热处理可分为渗碳，渗氮，碳氮共渗，渗硫，硫氮共渗，渗硼，碳氮硼三元素共渗，硫氮氮三元素共渗，渗金属（渗铝，渗络，渗钒，渗锌或多元素金属共渗）等。常见化学热处理方法及作用见表5-4.
表5-4. 常见化学热处理方法及作用
方法
渗透元素
作用
渗碳
C
提升模具耐磨性、硬度及疲惫强度
渗氮
N
提升模具耐磨性、硬度、疲惫强度及耐蚀性
碳氮（氮碳）共渗
C、N
提升模具耐磨性、硬度及疲惫强度
渗硫
S
减磨，提升抗咬合性能
硫氮共渗
S、N
减磨，提升抗咬合性能、耐磨性、改善疲惫性
硫碳氮共渗
S、C、N
减磨，提升抗咬合性、耐磨性、改善疲惫性
渗铝
Al
提升模具抗氧化及抗含硫介质腐蚀能力
渗铬
Cr
提升模具抗氧化、抗腐蚀能力及耐磨性
渗硼
B
提升模具耐磨性、硬度及抗磨蚀性
渗硅
Si
提升工件抗腐蚀性能
渗锌
Zn
提升工件抗大气腐蚀能力

（一）.渗碳
渗碳是现在模具表面热处理中应用最广泛一个热处理方法，气功一特点是降低碳钢或低糖合金钢模具在增碳活性介质中加热到850-950摄氏度，保温一定时间，是碳原子渗透表面层，随即淬火并低温回火是模具表层和心部含有不一样成份，组织或性能。
模具零件经渗碳后使其表面硬度和耐磨性大大提升，同时因为心不和表面含碳量不一样。硬化后表面取得有利残余压应力，从而深入提升渗碳工件弯曲疲惫强度和接触疲惫强度。依据渗碳介质物理状态不一样，可将渗碳方法分为固体渗碳、气体渗碳、真空渗碳和离子(CD)渗碳等。
1．固体渗碳
是将工件置于填满木炭和碳酸钡密封箱内进行（见图5-14），渗碳剂是木炭和碳酸钡混合物。其中木炭起渗碳作用，碳酸钡起催化作用。渗碳温度通常为900-950℃。在此高温下，木炭和空隙中氧气反应形成CO2，CO2和C反应形成不稳定CO，CO在工作表面分解得到活性碳愿子，即可渗透工件表面形成渗碳层。

图5-14 固体渗碳装箱

2.气体渗碳
采取液体或气体碳氢化合物作为渗碳剂。中国应用最广气体渗碳方法是滴注式气体渗碳，其方法是将工件置于密封加热炉中（见图5-15），滴入煤油、丙酮、甲苯及甲醇等有机液体，这些渗碳剂在炉中形成含有H2、CH4、CO和少许CO2渗碳气氛，钢件在高温下和气体介质发生反应。工件经渗碳后必需进行淬火才能取得高硬度、高耐磨性。渗碳关键用于承受大冲击、高强度、使用硬度为58-62HRC小型模具。

图5-15 滴注式气体渗碳炉工作

1）气体渗碳工艺操作
以某井式气体渗碳工艺为例，使用于20Cr、20CrMnTi等钢制造模具零件，其渗层神要求为1.1-1.3mm。渗碳剂为没有直接滴入。渗碳过程中排气、强烈渗碳、扩散剂降温四个部分组成，以下图5-16所表示.。

5-16 井式气体渗碳工艺

（1） 排气。模具零件入炉后必将引发炉温降低，同时带入大量空气。排期阶段作用在于恢复炉温要求渗碳温度，在此阶段应尽可能排除炉内空气。通常采取加大渗剂流量以使炉内氧化性气氛快速降低。排气时间往往在仪表温度达成渗碳要求温度后尚需延长30-60min，以使炉温成份达成要求，并使炉内温度均匀及工件烧透。排气不好会造成渗碳速度慢、质量不合格等缺点。
（2） 强烈渗碳。排气阶段结束后，及进入强烈渗碳阶段。其特点是渗碳剂滴量较多或气氛较浓，使工件表面渗碳浓度高于最终要求，增大表面渗碳浓度梯度，以提升渗碳速度。强烈渗碳时间关键取决于层深要求。
（3） 扩散。渗碳进入扩散阶段是以降低渗碳剂量或浓度为标志。此时炉气渗碳能力降低，表层过剩碳继续向内部扩散，最终得到要求深度及适宜碳浓度分布。扩散阶段所需时间由中间试棒渗碳层深度决定。
（4） 降温。对于可直接淬火零件应随炉冷却适宜淬火温度（通常在840-860℃），并保温在15-30min是零件内外温度均匀后出炉淬火；对于需重新加热零件，可自渗碳温度出炉入缓冷罐。
2）气体渗碳操作关键点
为了确保渗碳质量，模具零件在进入渗碳炉前应清除表面污垢、铁锈及油脂等。常见热水或Na2CO3水溶液作为介质。对锈蚀工件可采取喷砂清理。
零件装在料筐或挂具上，相互间应留出5-10mm间隙，以确保渗碳介质能和零件充足接触和循环流通。渗碳炉密封性要求好，并一直保持炉内气氛为正压力(通常在196.1-588.4Pa)。风扇应一直保持逆转，似使零件能常常和新鲜气体接触。排气口关键点燃，以免废气污染空气，并便于判定炉内工作情况，有条件应常常进行炉气分析。
依据生产经验，用煤油渗碳时，炉内气氛成份应控制在以下范围内：CnH2n＋2(1.0%-1.5%),CnH2n≤0.6%,CO(20%-35%),H2(50%-65%),CO2≤0.5%,N2余量。在这种气氛下对20CrMnTi等钢件渗碳后表层含碳量（体积分数）在0.8%-1.0%之间，而且炭黑极少。
零件出炉时间依据随炉试样层深检验结果决定。试样材料应于零件相同。对于不一样钢中或层深者不宜同炉渗碳。另外对于新渗罐、新工具或久未用得炉罐应预先渗碳。在正常渗生产情况下，停炉再升温生产时应进行炉腔渗碳。
3）渗碳零件淬火
渗碳只能改变零件表面化学成份，而零件表面最终强化则必需经过合适热处理。经过热处理使零件高碳表层取得细小马氏体、适量残留奥氏体和弥散分布粒状碳化物；零件心部由低碳马氏体、托氏体、索氏体等组织组成。渗碳后可采取不一样热处理方法：直接淬火、一次淬火、二次淬火等。
（1） 直接淬火。 直接淬火是指工件渗碳后随炉降温或出炉预冷到高于Ar1或Ar3温度(760-850℃)，然后直接淬火方法，淬火后在150-200℃回火到2-3小时。随炉降温或出炉预冷目标是为了降低淬火内应力，从而降低零件变形。同时，还使高碳奥氏体中析出一部分碳化物，降低奥氏体中碳浓度，从而降低淬火后残留奥氏体，取得较高表面硬度。
其次淬火优点是：降低加热或冷却次数，简化操作，生产效率高，还能够降低淬火变形及表面氧化、脱碳倾向。直接淬火后适适用于20CrMnTi等本质细晶粒钢，不适适用于本质粗晶粒钢及渗碳时表面碳浓度高零件。
（2） 一次淬火。 模具零件渗碳后立即出炉或降温到860-880℃出炉，在冷却坑内冷却至室温，然后再重新加热淬火。适适用于本质粗晶粒钢零件，不适适用于直接淬火零件。
（3） 二次淬火。 对本质粗晶粒钢或使用性能要求很高零件，要采取两次淬火或一次正火加一次淬火，以确保模具零件心部和渗层全部达成高性能要求。第一次淬火（或正火）温度碳钢为880-900℃，合金钢为850-870℃，目标是细化心部组织，并消除表面网状碳化物。第二次淬火温度则依据高碳表层来决定，通常选择在稍高于Ac1温度（770-820℃）。两次淬火，有可能出现较大淬火缺点，工艺比较复杂，生产周期长，故仅用于对表面层耐磨性、疲惫强度和心部韧性等要求较高重载荷零件。
3.真空渗碳
将被处理模具工件在真空中加热到奥氏体化，并在渗碳气氛中渗碳，然后扩散、淬火。因为渗碳前是在真空状态下加热，模具钢表面很洁净，很有利于碳原子吸附和扩散。和气体渗碳相比，真空渗碳温度高，渗碳时间可显著缩短。
4.CD渗碳
CD渗碳法采取含有大量强碳化物形成元素（如Cr、Ti、Mo、V）模具钢在渗碳气氛中加热，在碳原子自表面向内部扩散同时，渗层中沉淀出大量弥散合金碳化物，弥散碳化物含量达50%以上，呈细小均匀分布，淬火、回火后可取得很高硬度和耐磨性。
经CD渗碳模具心部没有像Cr12型模具钢和高速钢中出现粗大共晶碳化物和严重碳化物偏析，所以其心部韧性比Cr12MoV钢提升3-5倍。实践表明，CD渗碳模具使用寿命大大超出Cr12型冷作模具钢和高速钢。
5.渗碳工艺
渗碳工艺应用于模具表面强化，关键表现在以下两个方面。
1） 应用于低、中碳钢渗碳
塑料制品模具形状复杂，表面光洁程度要求高，常见冷挤压反印法来制造模具型腔。所以，可采取碳含量较低、冷塑性变形性能好塑料模具钢，如20、20Cr、12CrNi3A钢和美国P2、P3、P4、P5钢等。先将退火状态模具钢冷挤压反印法成型，再进行渗碳或碳氮共渗处理。
2） 应用于部分热作模具及冷作模具
可提升模具表面硬度和使用寿命。比如，3Cr2W8V钢热挤压模具，先渗碳再经1140-1150℃淬火，550℃回火两次，表面硬度可达58-61HRC，使热挤压有色金属及其合金模具寿命提升1.8-3.0倍。
（二）渗氮
渗氮（也称为氮化）是将模具零件置入含有活性氮原子气氛中，加热到一定温度，保温一定时间，使氮原子渗透工件表面形成氮化物热处理工艺。渗氮目标是提升工作表面硬度、耐磨性、疲惫性能及耐蚀性能。渗氮能使模具零件取得比渗碳更高表面硬度、耐磨性能、疲惫性能和热硬性。渗氮也能够提升工件抗腐蚀性能。因为模具在渗氮前通常要进行调质处理，为不影响模具整体性能，渗氮温度通常不超出调质处理回火温度，通常为500-570℃，渗氮后模具零件变形较小。
渗碳方法分为气体渗氮、液体渗氮、固体渗氮、离子渗氮等。常规气体渗氮周期长、生产率低、费用高、对材料要求严格，所以使其在应用上受到一定限制；液体渗氮温度低、时间短、模具变形小，但盐浴或盐浴反应产物有一定毒性，要考虑盐浴危害及预防方法。现在有很多新工艺已经日趋成熟，正在生产中被广泛应用，比如真空渗氮、电解催渗氮等。
为了使渗氮有很好效果，模具必需选择含有Al、Cr和Mo元素钢种，方便渗氮后形成AlN、CrN和Mo2N，没有这些元素则渗氮层硬度低，不足以提升模具耐磨性。模具常见钢种有Cr12、Cr12MoV、3Cr2W8V、38CrMoAl、4Cr5MoSiV、4Cr5W2VSi、5CrMnMo、5CrNiMo等。
渗氮通常是模具在整个制造过程中最终一道工序，处理后只需少许精磨或研磨加工。渗氮前通常要求优异行调质处理，以取得回火索氏体组织。渗氮层含有优良耐磨性，对冷、热模具全部适用。比如3Cr2W8V钢压铸模、挤压模等经调质并在520-540℃渗氮后，使用寿命比未经渗氮模具提升2-3倍。
通常渗氮气体采取脱水氨气。下面介绍气体渗氮和离子渗氮两种方法。
1. 气体渗氮
通常在井式炉内进行，方法是把已除油净化工件放在密封炉内加热，并通入氨气。氨气在380℃以上就能分解出活性氮原子，活性氮原子被钢表面吸收，形成固熔体和氮化物，氮原子逐步向里扩散，从而取得一定深度渗氮层。常见气体渗氮温度为550-570℃，渗氮时间取决于所需要渗氮层深度。通常渗氮层深度为0.4-0.6mm，渗氮时间40-70h，所以气体渗氮生产周期很长。
1） 渗氮前准备
在渗氮工件整个过程中，渗氮往往是最终一道工序。为使工件心部含有必需性能，消除加工应力，减小渗氮过程变形，和为取得最好渗氮层性能作组织准备，模具在渗氮前通常全部需要进行预备热处理，即进行调质处理，以取得回火索氏体组织。因为热作模具钢渗氮仅是提升表面耐磨性，为了不影响模具整体性能，渗氮温度通常不超出调质处理回火温度，通常为500-570℃.
对形状复杂精密模具，在机械加工后进行1-2次消除应力处理，以降低渗氮过程中变形。处理温度应低于回火温度，以免降低模具硬度。
脱碳层将造成渗氮后脆性增加及硬度不足等缺点，为此模具在预备热处理前应有足够加工余量，以确保机械加工时将脱碳层全部去除。
为使渗氮过程顺利进行，模具在装炉前要用汽油或酒精等去油、脱脂，经过清洗后表面不能有锈蚀及脏物。假如模具一些部位不需渗氮，可用涂料方法防渗。
为了检验渗氮质量，可在渗氮罐合适部位，放置和模具同材质，并经过预备热处理试样，便于检验渗氮层深度、表面硬度和金相组织。
2） 渗氮介质及设备
渗氮用氨气采取工业合成液氨。渗氮可在密封箱式或井式炉中进行。氨气由液氨瓶经过流量计、干燥箱进入渗氮罐，罐要求密封，罐内温度及气流应尽可能均匀。用氨气分解率测定计测量废气中氮和氢体积和废气总体积之比，用以表示氨分解程度。
3） 渗氮工艺参数
渗氮温度通常在500-570℃，渗氮时间依据模具渗氮层深度要求确定。依据经验，渗氮温度为510℃时，渗层深度≤0.4mm， 38CrMoAl钢渗氮速率为0.01-0.015mm/h。从生产实践中不难看出，温度对渗氮层表面硬度及层深得影响显著。温度越低，渗氮层表面硬度越高，渗层越浅，变形量越小；反之温度越高，渗氮层硬度降低，层深增加，变形量增大。同时渗氮后硬度不仅取决于温度，还和氨分解率相关。渗氮时间取决于所要求渗氮深度及渗氮温度。因为渗氮是在较低温度下进行，渗氮速率很低。和渗碳相比，渗氮层深度浅（通常在0.5mm左右），过深得渗氮层深度需要更长时间渗氮。
4） 热处理生产常见3种渗氮方法
（1）一段渗氮法，又称等温渗氮法。在渗氮过程中渗氮温度和氨分解率保持不变，渗氮温度通常为450-530℃.适适用于要求高硬度、低变形浅层渗氮，渗层氮含量分布改变显著。
（2）二段渗氮法。第一阶段采取较低渗氮温度和较低氨分解率，使工件表层先形成弥散度高高硬度合金氮化物层；第二阶段再稍微提升渗氮温度和氨分解率，使氮扩散速度加紧，方便缩短渗氮时间。二段渗氮法处理工件变形稍大，硬度梯度较平缓，但渗速较快厂生产周期较短。
（3）三段渗氮法。它是在二段渗氮法基础上再增加一个低温阶段，能够合适提升氨分解率，以降低模具表层高氮脆性或采取和第一阶段相同氨分解率，以补充模具表面氮含量消耗。为了减小渗氮层脆性，在渗氮结束前2-3h应进行退氮处理，立即氨分解率提升至90%以上。
2.离子渗氮
离子渗氮是在离子渗氮炉中进行。在一定真空度下，利用工件（阴极）和阳极间产生辉光放电现象进行，所以又叫辉光离子渗氮。将工件置于离子渗氮炉（见图5-17）中托盘上，以工件为阴极，以炉壁为阳极，通入400-750V直流电，氨气被电离成氮和氢正离子及电子，这时工件表面形成一层辉光。含有高能量氮离子以很大速度轰击工件表面，将动能转变为热能，使工件表面温度升高到450-650℃；同时氮离子在阴极上取得电子后，还原成氮原子而渗透工件表面，并向内扩散形成渗氮层。
离子渗氮关键工艺参数有：
（1） 真空度通常为1.33-13.3Pa；
（2） 气体压力常见为266-798Pa；
（3） 电流密度为0.5-5mA/cm2；
（4） 辉光电压。加热电压为550-750V，保温阶段电压合适比加热电压略低，通常为550-650V，形状简单去650V，形状复杂去550V；
（5） 渗氮温度。通常取450-600℃，但即使在400℃以下也能进行渗氮处理；
（6） 极间距离。通常以30-70mm较为适宜；
（7） 渗氮时间。依据渗氮模具材料、渗氮层厚度和硬度选择适宜时间。

图5-17 钟罩式离子渗氮炉

离子渗氮速度快（取得一样深度渗层只需气体渗氮时间1/4-1/2），渗层韧性最好、模具变形小，是现在比较普及一个渗氮工艺。离子渗氮广泛应用于处理热锻模、冷挤压模、压铸模、冷冲模，模具使用寿命大大提升。
（三）碳氮共渗和氮碳共渗
模具钢碳氮共渗是在钢件表层同时渗透碳、氮热处理过程。但碳氮共渗是以渗碳为主，而氮碳共渗是以渗氮为主。和单一渗碳相比，碳氮共渗有很多优点，关键是提升了模具工件表面硬度、耐磨性和疲惫极限；而且因为碳氮共渗温度较渗碳温度低，所以渗碳过程中奥氏体晶粒较细小，共渗后通常可直接淬火。其碳氮共渗简化了生产工序，节省能源，并降低了模具变形。
碳氮共渗依据使用介质物理情况不一样，能够分为气体碳氮共渗、液体碳氮共渗、固体碳氮共渗三类；依据共渗温度不一样，又可分为低温（500-600℃）、中温（700-800℃）和高温（900-950℃）三种。其中低温碳氮共渗即现在广泛应用软氮化法，其表层关键以渗氮为主，用以提升模具零件表面耐磨性和抗咬合性。中温碳氮共渗，其目标和渗碳相同，关键是提升模具零件表面硬度，和渗碳相比，将使零件含有愈加好耐磨性和抗疲惫性能。高温碳氮共渗，以渗碳为主。中温气体碳氮共渗和低温碳氮共渗在中国热处理厂家中应用较广。
1.气体碳氮共渗
生产中应用较广是中温气体碳氮共渗，其共渗介质是渗碳和渗氮用混合气体。生产中最常见方法是在井式气体渗碳炉中滴入煤油（或甲苯、丙酮等），使其热分解出渗碳气体，同时向炉内通入渗氮用得氨气。在共渗温度下，煤气和氨气除了单独进行渗碳和渗氮作用外，它们相互之间还能够发生化学反应产生活性碳、氮原子。另外，有得工厂采取渗碳富化气（甲烷、丙烷、城市煤气等）＋氨、三乙醇胺、丙酮＋甲醇＋尿素等作为共渗剂。
气体碳氮共渗所用钢种大多为低碳或中碳碳钢及合金钢，中温共渗温度常采取820-870℃.气体碳氮共渗等温碳、氮含量关键取决于共渗温度。共渗温度越高，共渗层碳含量越高，氮含量越低；反之，共渗温度越低