熱作模具鋼（H13型）表面處理及其熱疲勞、熱熔損性能研究.pdf

1、采用表面處理、表面改性技術(shù)，提高熱作模具相關(guān)的服役性能。這是當(dāng)前熱作模具研究、應(yīng)用領(lǐng)域中最熱門的方向之一。 針對(duì)熱作模具鋼的表面氧化處理，本文開(kāi)發(fā)了一種帶蒸汽預(yù)熱裝置的氧化處理爐，這種爐型現(xiàn)已應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。該爐型的蒸汽盤箱管、蒸汽室等各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使蒸汽能充分預(yù)熱、并穩(wěn)定地通入氧化爐中，保證了模具鋼氧化工藝順利實(shí)施，及設(shè)備的可靠性、安全性。試圖將蒸汽氧化和氣體氮化結(jié)合在單一的熱處理爐中的嘗試并沒(méi)有成功。因此，本文中的氧化試樣主要

2、在專門設(shè)計(jì)的氧化爐中進(jìn)行，氮化則是在等離子滲氮爐中進(jìn)行。 結(jié)合熱力學(xué)計(jì)算和具體試驗(yàn)研究了H13鋼的表面氧化行為。采用Thermal-Calc軟件計(jì)算了500℃至700℃溫度范圍內(nèi)不同氧分壓條件下H13表面形成的氧化物物相組成及其變化。在上述溫度范圍內(nèi)，試驗(yàn)研究了H13鋼分別在0.2MPa蒸汽流、0.1MPa的空氣、O.001MPa的低壓空氣條件下的氧化膜組織。發(fā)現(xiàn)低壓空氣條件下形成的氧化膜的微觀組織和物相更接近蒸汽條件下形成的氧

3、化膜，而與常壓空氣下形成的氧化膜有明顯差異。 熱力學(xué)計(jì)算表明，高氧分壓有助于Fe2O3相的生成，而低氧分壓有助于Me3O4相的生成。高氧分壓下完整的致密Fe2O3層的快速形成將阻礙各種原子的向內(nèi)擴(kuò)散，從而抑制Me3O4相的生成。因此，在適當(dāng)?shù)牡脱鯒l件下H13鋼的氧化顯著快于空氣條件下的氧化。除了適當(dāng)?shù)难醴謮?，H13鋼在蒸汽條件中的氧化機(jī)制更為復(fù)雜，還與氧離子的短程擴(kuò)散有關(guān)。計(jì)算表明，同F(xiàn)e2O3和Fe3O4相一樣，尖晶石相FeC

4、r2O4，F(xiàn)eV2O4，F(xiàn)e2SiO4也是H13鋼氧化膜的主要組成相。 蒸汽氧化和等離子氮化復(fù)合試驗(yàn)和研究表明，H13鋼的表面預(yù)氧化無(wú)助于隨后的等離子氮化。等離子氮化過(guò)程中，蒸汽氧化膜將逐步減薄、直到消失后氮才開(kāi)始滲入。等離子滲氮將使H13鋼在隨后蒸汽氧化中的氧化速度顯著增加，這要?dú)w因于等離子的轟擊活化作用和由此引起蒸汽條件下氧的快速擴(kuò)散。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，等離子滲氮形成的氮化物層，在隨后的氧化過(guò)程中將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸?，這將減小熱作模具

5、服役過(guò)程中的熱裂紋形成傾向。因此等離子氮化及氧化復(fù)合工藝，對(duì)那些既要求高強(qiáng)度抵抗塑性變形、又要求高韌性抵抗熱疲勞的熱作模具將是合理的選擇，該工藝在重載鍛模上的應(yīng)用相當(dāng)成功。 根據(jù)Uddeholm方法，采用自約束試樣，研究了不同表面處理H13鋼試樣在室溫至700℃熱循環(huán)溫度范圍內(nèi)的熱疲勞性能。表面處理工藝包括等離子氮化、等離子硫氮碳共滲，滲硼和氧化等。研究表明，熱循環(huán)過(guò)程中的應(yīng)力變化對(duì)熱疲勞裂紋萌生和發(fā)展起到至關(guān)重要的影響。熱循環(huán)

6、過(guò)程中，表面無(wú)硬化膜的H13鋼試樣的殘余壓應(yīng)力的減小是緩慢的，并傾向于形成均勻分布的微裂紋；而表面有硬化膜的H13鋼試樣的高殘余壓應(yīng)力的降低速度很快。通常，由表面化合物層上的熱裂紋引起的應(yīng)力的不均勻分布，將是主裂紋擴(kuò)展的重要因素。經(jīng)優(yōu)化的氮擴(kuò)散層由于提高了強(qiáng)度、控制了韌性的下降，從而賦予H13鋼更好的熱疲勞性能。未發(fā)現(xiàn)單一氧化處理對(duì)H13鋼的熱疲勞性能有明顯影響。 分別采用靜態(tài)靜置、動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)的熱浸熔融ADC12鋁合金熔液的方法，

7、對(duì)表面經(jīng)蒸汽氧化和未氧化的H13鋼試樣的熱熔損抗力進(jìn)行了對(duì)比研究。采用失重法研究了熔液溫度、熱浸時(shí)間、試樣表面狀態(tài)的影響。H13鋼熔損試樣上包覆的Fe-Al金屬間化合物外側(cè)的化合物、鋁合金組成的復(fù)合層的厚度對(duì)H13鋼的熔損有重要影響。熔液溫度的下降，或熱浸時(shí)間的延長(zhǎng)將導(dǎo)致復(fù)合層的增厚，而減緩鋁元素的擴(kuò)散，從而降低熔損速度。動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，鋁合金熔液的相對(duì)快速運(yùn)動(dòng)將加快侵蝕作用并減薄復(fù)合層厚度，導(dǎo)致快速熔損。同PVD陶瓷涂層一樣，H13鋼