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H13钢RE-N-C-V-Nb共渗渗层动力学及热稳定性研究

单朝军  
【摘要】:H13钢广泛用于铝型材挤压模具,但由于其工作在高压、高温和强力摩擦等恶劣环境下,常以磨损和疲劳等形式从表面开始失效。因此对模具进行表面强化处理,是延长其寿命的关键。复合表面处理技术是材料表面强化研究最前沿和有效的方法之一。本课题采用传统渗氮碳表面化学热处理技术与现代的热反应沉积扩散钒铌元素技术复合,得到了良好的渗层形貌和高性能的物相层。本研究在前期研究已取得成果的基础上,运用扫描电子显微术、能谱、X射线衍射术和显微硬度测量等方法,进一步研究了共渗层的动力学生长规律及其在高温工作中组织的稳定性。 对渗层形成的机理分析结果表明,渗剂和H13钢基体存在的化学势差使氮和碳元素主要以间隙扩散并辅以沿晶体缺陷的方式渗入基体,钒铌氮碳化物层主要靠N、C原子向基体外的扩散并结合盐浴中V、Nb活性原子形成,生长速度取决于N、C原子在基体和钒铌氮碳化物层中的扩散速度。利用Fick定律和Arrhenius公式计算得到的覆层厚度与时间和温度的关系,揭示了V-Nb-RE共渗时钒铌氮碳化物层的动力学形成规律。此规律可用来预测和控制H13钢表面钒铌共渗层的厚度及复合处理的加工工艺,指导实验和生产。计算得到的扩散激活能Q和生长速率常数K表明预渗氮碳可以加速钒铌沉积层的形成,而钒和铌的共同沉积Q值是单渗钒或铌的最小值。稀土独特的结构和性质能增加氮碳化钒铌的增长率,降低扩散激活能,有利于渗层的形成。 结合渗层硬度、物相和晶粒大小随保温时间的变化,研究了H13钢RE-N-C-V-Nb共渗渗层的热稳定性能。结果表明,渗层在560℃16h加热后显微硬度仍然达到1230HV0.,。加热前期,由于覆层晶粒中位错等缺陷的降低,氮碳原子的扩散脱落,缺位间隙相如V4C2.67、Nb4N3.92等的形成,及钒铌的被氧化,使硬度下降较快。而加热后期覆层硬度下降平缓,此时晶粒的长大也是覆层热稳定性性能下降的原因之一。晶粒的长大在热稳定性实验温度区间遵循一定的动力学规律。N-C-V-Nb-RE盐浴处理中各共渗元素对覆层的热稳定性有不同的影响程度及机理。预渗氮能显著增加覆层的热稳定性性能,钒铌共渗覆层热稳定性也比单渗钒或铌高。稀土在晶界的偏聚能减缓晶粒长大的速度并阻碍氮碳的扩散,所以添加稀土后覆层的热稳定性比不添加稀土的覆层热稳定性高。


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