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《太原理工大学》 2007年
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双层辉光离子Cr-Mo共渗形成高耐磨LD冷作模具钢的研究

徐晋勇  
【摘要】: 模具是制造业的重要基础工艺装备。用模具生产制件所达到的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低耗能、低耗材,使模具工业在制造业中的地位越来越重要。模具在汽车、能源、机械、信息、航空航天、国防工业和日常生活用品的生产中被广泛应用。据统计,75%的粗加工工业产品零件、50%的精加工零件由模具成形;家用电器行业的80%零件、机电行业的70%以上零件也都要靠模具加工。模具钢是模具工业的基础,也是最重要、消耗量最大的一类模具材料。据测算,模具所用钢材在模具工业总产值中占近20%,按2004年国内模具工业530亿元产值计算约106亿元,数量在88万t左右,其中模具钢占大部分。 目前我国常用的冷作模具钢仍是低合金工具钢如CrWMn和高碳高铬工具钢Cr12MoV及Cr12等这些老的钢种。CrWMn钢有适当的淬透性和耐磨性,热处理变形小,但CrWMn钢锻后需较严格地控制冷速,否则易形成网状碳化物,导致模具在使用中的崩刃和开裂。高铬钢中因含铬、碳量较高,使共析及共晶点左移,共晶碳化物较多,又称之为莱氏体钢。其中铬大部分集中在M_7C_3型共晶碳化物中,是促成碳化物不均匀分布的主要元素。高铬钢铸态时存在鱼骨状共晶碳化物,这种状态随着钢锭凝固速度减慢和锭型尺寸增大而加剧,这种鱼骨状共晶碳化物用热处理无法消除,只有靠锻造的方法将共晶莱氏体击碎。 高碳高铬工具钢属高合金钢,合金含量较高。合金元素钨、钼、铬是合金钢的主加元素。我国是钨资源大国,其储量、产量和出口量均居世界首位,储量占世界钨总储量的40%以上;我国钼储量居世界第二位,但据资料统计表明合金钢的主要合金元素钨、钼资源在世界范围内勘测,其可靠的储存量仅够40~60年使用,加上潜在的储量,也仅够使用100年。铬是一种重要的战略物资,是合金钢的重要原料之一。但我国是一个铬铁矿资源严重短缺的国家,国内生产十分有限,长期以来主要依靠进口解决国内供应问题。因此节约合金元素,既具有重要的战略意义,又可节约钢材成本。从资源与价格的角度考虑,世界各国极为重视低合金钢的发展。 磨损是常见的一种失效方式,世界摩擦学会统计表明,摩擦损失了世界性一次能源的1/3~1/2,据有关资料介绍,磨损给工业国家带来的损失可达国民生产总值的2%~8%。我国仅就冶金矿山、农机、煤炭、电力和建材5个工业部门不完全的统计,每年仅由于磨损而需要补充的备件就达100万t钢材,相当于15~20亿人民币。机械工业每年所用的钢材,约有一半是消耗在备件的生产上,而备件中的大部分是由于磨损寿命不高而失效的。由于磨损失效开始于材料表面,因而本研究形成的高合金层与整体冶炼高碳高合金冷作模具钢相比,只需少量的合金元素,具有节约合金元素,降低生产成本的特点。本研究对于我国坚持节约合金元素资源,走可持续发展道路无疑具有重要的科学意义和实用价值。 利用表面技术提高材料表面性能,是近十几年来提高钢铁材料耐磨性能的新型工艺技术。双层辉光离子渗金属技术是一种表面处理技术,是等离子表面冶金领域中的核心技术。其目的是通过双层辉光离子渗金属技术提高材料表面的合金元素含量,经后续处理提高材料表面的性能。 等离子表面冶金高速钢就是利用双层辉光离子渗金属技术,在低碳钢或低合金钢表面,首先渗入合金元素钨、钼、铬,然后进行固溶和渗碳处理,使表面形成近似高速钢成分的高碳高合金层。通过后续的高温淬火和高温回火,表面性能接近冶金高速钢。当工件使用条件在需要具有高温硬度和红硬性的时候,使用等离子W-Mo共渗+渗碳+高温淬火+高温多次回火的工艺技术能够很好的解决这一问题。但在许多的实际生产过程中,零件的使用状况是处于室温条件下,不需要高温硬度或红硬性。此时若仍采用W-Mo共渗工艺技术,将造成能源的浪费,合金化原理也不够理想。 本研究课题双层辉光离子Cr-Mo共渗形成高耐磨LD冷作模具钢的研究,就是继双层辉光离子W-Mo共渗形成表面高速钢工艺技术后,探索和研制一种在低碳钢或低合金钢表面Cr-Mo共渗及离子渗碳后,经980℃~1050℃淬火+低温(高温)回火,提高材料表面耐磨性和满足一般红硬性要求的表面梯度结构新材料及新工艺方法,性能达到一般的红硬性要求。是一种在实际生产中,针对高耐磨要求而研制的表面材料。该技术的研制和开发,拓宽了双层辉光离子渗金属技术的应用领域和范围。 本研究课题是利用双层辉光离子渗金属技术在低碳钢表面进行Cr-Mo共渗,表面合金成分达到高耐磨冷作模具钢的要求,之后进行超饱和离子渗C,经后续处理,表面形成高耐磨强化层。本研究课题对Cr-Mo共渗的影响因素,渗Cr-Mo后不同含C量的淬火温度、深冷处理时间对耐磨性能的影响,渗Cr-Mo后进行离子渗N、N-C共渗对耐磨性能的影响等进行了深入研究。 本研究课题还针对双层辉光等离子体特性进行了实验研究。研究了此类等离子体中的阴极壳层的特点,等离子体中的电子温度,电子密度及其随放电参数的变化,并对这种等离子体的一些物理特征及动力学过程进行了初步的探索和研究。 本研究获得了以下结果: 1.利用双层辉光离子渗金属技术,在低碳钢表面进行Cr-Mo共渗,表面形成高合金层,合金成分达到高耐磨冷作模具钢的要求,之后进行超饱和离子渗碳,表面含碳量超过平衡碳计算值,再经淬火、回火处理,形成的碳化物呈粒状或短棒状,碳化物细小、弥散、均匀,尺寸一般≤1μm,彻底消除了冶金高碳高合金耐磨冷作模具钢中碳化物不均匀和轧制加工复杂的问题。 2.低碳钢表面经双层辉光Cr-Mo共渗及复合工艺强化处理后,碳化物主要类型为Cr_(23)C_6、Cr_7C_3、Mo_2C、Mo_6C。 3.采用丝状源极进行双层辉光离子Cr-Mo共渗,渗层厚度随Mo含量的增加而增加,Mo的加入促进了渗层厚度的增加。 4.在低碳钢表面双层辉光离子Cr-Mo共渗形成高合金层后,在后续处理工艺中,即可以进行渗C处理,也可以进行离子渗N、N-C共渗处理,提高表面耐磨性能,与W-Mo共渗形成表面高速钢工艺相比,增加了后续强化处理工艺的方法,可以满足对耐磨强化层的不同要求。而且,N元素的渗入,具有减摩作用,N-C共渗处理试样的摩擦因数较低碳Q235钢基体经离子渗C+淬火+低温回火试样的摩擦因数的降低54.6%;渗氮处理试样的摩擦因数较低碳Q235钢基体经离子渗C+淬火+低温回火试样的摩擦因数的降低58.9%。 5.低碳钢表面双层辉光离子Cr-Mo共渗形成高合金层经离子渗C+980℃淬火+低温回火处理,摩擦因数较低碳Q235钢基体经离子渗C+淬火+低温回火试样的摩擦因数的降低11.6%,相对耐磨性较低碳Q235钢基体经离子渗C+淬火+低温回火试样提高1.6倍,较T10钢淬火+低温回火试样提高9.3倍。 6.低碳钢表面双层辉光离子Cr-Mo共渗形成高合金层经离子渗C+1050℃淬火+高温回火处理,相对耐磨性较低碳Q235钢基体经离子渗C+淬火+低温回火试样提高0.5倍,较T10钢淬火+低温回火试样提高5倍;抗回火软化性与M2钢相当,高于高耐磨冷作模具LD钢。 7.耐磨性能试验表明:低碳钢经双层辉光离子Cr-Mo共渗及后续处理工艺复合强化试样的相对耐磨性高于未渗金属+离子渗C+淬火+低温回火试样;低碳钢表面双层辉光离子Cr-Mo共渗形成高合金层经离子渗C+980℃淬火+低温回火处理试样的相对耐磨性高于经离子渗C+1050℃淬火+高温回火处理试样;深冷处理试样的相对耐磨性高于未经深冷处理试样;随着深冷时间的延长,试样的相对耐磨性提高,摩擦因数降低。 8.在等电位辉光放电等离子体中,当辉光放电电压为500~1000V、P=30~100P_a时,电子温度在1~10eV范围内变化,其值高于高气压异常辉光放电一个数量级;而其电子密度在10~(21)m~(-3)数量级,其值在工业典型等离子体密度范围内(10~(12)-10~(25))m~(-3),且高于典型辉光放电的电子密度范围(10~(14)-10~(18))m~(-3)。等电位辉光放电状态为异常辉光放电状态,促使更多自由电子在阴极产生;封闭辅助阴极减少了自由电子向边界扩散,但保温效果增强,其总的效果就是增加电子密度,超过了一般辉光放电中的电子密度。这是等电位辉光放电效应的两个特色。 9.在不等电位辉光放电等离子体中,源极电压的变化对电子温度的影响不明显,而工件电压的变化对电子温度的影响较大;在源极电压较低时,工作气压的升高对电子温度的影响较大;随着源极电压的升高,对其影响逐渐减弱。
【学位授予单位】:太原理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TG161

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