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H13钢不同固体渗硼工艺制备的渗层高温摩擦磨损性能与机理研究

濮胜君  
【摘要】:固体渗硼技术是一种常用的提高H13热作模具钢使用寿命的表面处理方法。为改善固体渗硼工艺温度高、处理时间长等缺点,表面形变预处理、稀土催渗、加电场辅助渗硼等复合处理技术引起了广泛关注。本课题组通过喷丸预处理和稀土催渗共同辅助,实现了580℃低温固体渗硼。本文对850℃渗硼后所得Fe2B单相高温渗硼层、高能喷丸预处理辅助高温渗硼层、稀土催渗辅助高温渗硼层以及580℃低温渗硼层的高温摩擦磨损性能进行了研究,通过光学轮廓仪、扫描电镜(SEM)、显微硬度计和原位纳米硬度测试系统、X射线衍射仪(XRD),对样品的表面粗糙度、渗硼层厚度及组织形貌、渗硼层硬度、渗层物相组成进行了研究;使用UMT-3型高温摩擦磨损试验机以及光学轮廓仪对渗硼层的摩擦系数、磨损体积进行了研究,并采用SEM、能谱分析(EDS)、XRD等测试对磨痕表面宏观和微观形貌、磨屑氧元素相对含量、磨痕表面物相进行了分析,讨论了渗硼层的磨损机理。具体研究结果如下:1.退火态H13钢经850℃固体渗硼及后续热处理后得到Fe2B单相渗硼层,其显微硬度约为1600HV0.1,渗层厚度约为37μm;渗硼层摩擦系数随磨损试验温度升高而降低,其突变是由于渗层开始磨穿所导致,渗硼层的磨损体积随温度升高而增大,600℃时迅速增大;2.磨损试验温度为400℃时,退火态H13钢850℃渗硼所得Fe2B单相渗层磨损机理主要为疲劳剥落磨损以及轻微氧化磨损;500℃时磨损机理开始向氧化磨损转变;600℃时氧化磨损机制占主导地位;700℃时氧化磨损加剧,样品表面出现龟裂状形貌,磨痕周围渗层发生高温疲劳剥落。3.喷丸辅助的850℃渗硼样品与抛光态渗硼试样相比,渗层硬度约提高100HV,厚度提高约22%,但其表面粗糙度显著提高。喷丸所产生的凹谷形貌在高温磨损过程中可以起到存屑减摩的作用,降低了其初期摩擦系数。相同磨损试验条件下,喷丸态渗硼试样的磨损体积均小于抛光态渗硼试样。4.喷丸辅助850℃渗硼样品和未渗硼试样磨损试验后表面氧化物均为Fe2O3,磨损机理主要为高温氧化磨损。由于喷丸纳米化预处理引入残余应力并使硼化物晶粒细化,喷丸辅助渗硼试样磨痕两边的渗硼层未发现疲劳剥落,然而抛光态渗硼试样磨痕两边渗层则出现了明显的疲劳剥落现象。5.在渗硼剂中添加2.5%和5%稀土能显著提高渗硼层厚度、显微硬度与致密性,但表面粗糙度略有增加;5%稀土辅助渗硼样品渗层厚度比不加稀土渗硼试样提高约27%,且显微硬度提高约60HV;10%稀土渗硼试样渗层厚度最大,但显微硬度、致密性明显下降,表面粗糙度显著增大至Ra 3.32。6.5%稀土渗硼试样与不加稀土渗硼试样相比,渗层磨穿时间约增加一倍,磨损体积降低21%,其磨损体积相对其它样品最小;5%稀土渗硼试样耐高温磨损性能与未渗硼H13钢相比提高近1.6倍。加入5%稀土催渗辅助的H13钢渗硼层耐高温磨损性能较优。7.H13钢经580℃低温固体渗硼后得到Fe2B和Fe B双相渗硼层;喷丸辅助低温渗硼试样的表面粗糙度低于抛光态试样,其粗糙度分别约为Ra 1.87、Ra2.06;喷丸辅助H13钢低温渗硼试样渗层硬度和致密性高于抛光态低温渗硼试样,其纳米硬度分别为23Gpa和18GPa;8.磨损试验温度为300℃时,低温渗硼层磨损机理主要为疲劳剥落磨损以及轻微氧化磨损;400℃时磨损机理开始向氧化磨损转变;500℃以上时,氧化磨损不断加剧。本文制备的低温渗硼层在600℃时耐磨损性能显著下降,其对基体高温磨损的保护作用已显著减弱。


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