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热作模具钢(H13型)表面处理及其热疲劳、热熔损性能研究

闵永安  
【摘要】:采用表面处理、表面改性技术,提高热作模具相关的服役性能。这是当前热作模具研究、应用领域中最热门的方向之一。 针对热作模具钢的表面氧化处理,本文开发了一种带蒸汽预热装置的氧化处理炉,这种炉型现已应用于工业生产。该炉型的蒸汽盘箱管、蒸汽室等各种结构设计使蒸汽能充分预热、并稳定地通入氧化炉中,保证了模具钢氧化工艺顺利实施,及设备的可靠性、安全性。试图将蒸汽氧化和气体氮化结合在单一的热处理炉中的尝试并没有成功。因此,本文中的氧化试样主要在专门设计的氧化炉中进行,氮化则是在等离子渗氮炉中进行。 结合热力学计算和具体试验研究了H13钢的表面氧化行为。采用Thermal-Calc软件计算了500℃至700℃温度范围内不同氧分压条件下H13表面形成的氧化物物相组成及其变化。在上述温度范围内,试验研究了H13钢分别在0.2MPa蒸汽流、0.1MPa的空气、0.001MPa的低压空气条件下的氧化膜组织。发现低压空气条件下形成的氧化膜的微观组织和物相更接近蒸汽条件下形成的氧化膜,而与常压空气下形成的氧化膜有明显差异。 热力学计算表明,高氧分压有助于Fe_2O_3相的生成,而低氧分压有助于Me_3O_4相的生成。高氧分压下完整的致密Fe_2O_3层的快速形成将阻碍各种原子的向内扩散,从而抑制Me_3O_4相的生成。因此,在适当的低氧条件下H13钢的氧化显著快于空气条件下的氧化。除了适当的氧分压,H13钢在蒸汽条件中的氧化机制更为复杂,还与氧离子的短程扩散有关。计算表明,同Fe_2O_3和Fe_3O_4相一样,尖晶石相FeCr_2O_4,FeV_2O_4,Fe_2SiO_4也是H13钢氧化膜的主要组成相。 蒸汽氧化和等离子氮化复合试验和研究表明,H13钢的表面预氧化无助于随后的等离子氮化。等离子氮化过程中,蒸汽氧化膜将逐步减薄、直到消失后氮才开始渗入。等离子渗氮将使H13钢在随后蒸汽氧化中的氧化速度显著增加,这要归因于等离子的轰击活化作用和由此引起蒸汽条件下氧的快速扩散。试验发现,


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