雙層輝光離子Cr-Mo共滲形成高耐磨LD冷作模具鋼的研究.pdf

1、模具是制造業(yè)的重要基礎(chǔ)工藝裝備。用模具生產(chǎn)制件所達(dá)到的高精度、高復(fù)雜程度、高一致性、高生產(chǎn)率和低耗能、低耗材，使模具工業(yè)在制造業(yè)中的地位越來(lái)越重要。模具在汽車、能源、機(jī)械、信息、航空航天、國(guó)防工業(yè)和日常生活用品的生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，75％的粗加工工業(yè)產(chǎn)品零件、50％的精加工零件由模具成形；家用電器行業(yè)的80％零件、機(jī)電行業(yè)的70％以上零件也都要靠模具加工。模具鋼是模具工業(yè)的基礎(chǔ)，也是最重要、消耗量最大的一類模具材料。據(jù)測(cè)算，模具所

2、用鋼材在模具工業(yè)總產(chǎn)值中占近20％，按2004年國(guó)內(nèi)模具工業(yè)530億元產(chǎn)值計(jì)算約106億元，數(shù)量在88萬(wàn)t左右，其中模具鋼占大部分。 目前我國(guó)常用的冷作模具鋼仍是低合金工具鋼如CrWMn和高碳高鉻工具鋼Cr12MoV及Cr12等這些老的鋼種。CrWMn鋼有適當(dāng)?shù)拇阃感院湍湍バ裕瑹崽幚碜冃涡?，但CrWMn鋼鍛后需較嚴(yán)格地控制冷速，否則易形成網(wǎng)狀碳化物，導(dǎo)致模具在使用中的崩刃和開(kāi)裂。高鉻鋼中因含鉻、碳量較高，使共析及共晶點(diǎn)左移，共晶

3、碳化物較多，又稱之為萊氏體鋼。其中鉻大部分集中在M<,7>C<,3>型共晶碳化物中，是促成碳化物不均勻分布的主要元素。高鉻鋼鑄態(tài)時(shí)存在魚骨狀共晶碳化物，這種狀態(tài)隨著鋼錠凝固速度減慢和錠型尺寸增大而加劇，這種魚骨狀共晶碳化物用熱處理無(wú)法消除，只有靠鍛造的方法將共晶萊氏體擊碎。 高碳高鉻工具鋼屬高合金鋼，合金含量較高。合金元素鎢、鉬、鉻是合金鋼的主加元素。我國(guó)是鎢資源大國(guó)，其儲(chǔ)量、產(chǎn)量和出口量均居世界首位，儲(chǔ)量占世界鎢總儲(chǔ)量的40％

4、以上；我國(guó)鉬儲(chǔ)量居世界第二位，但據(jù)資料統(tǒng)計(jì)表明合金鋼的主要合金元素鎢、鉬資源在世界范圍內(nèi)勘測(cè)，其可靠的儲(chǔ)存量?jī)H夠40～60年使用，加上潛在的儲(chǔ)量，也僅夠使用100年。鉻是一種重要的戰(zhàn)略物資，是合金鋼的重要原料之一。但我國(guó)是一個(gè)鉻鐵礦資源嚴(yán)重短缺的國(guó)家，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)十分有限，長(zhǎng)期以來(lái)主要依靠進(jìn)口解決國(guó)內(nèi)供應(yīng)問(wèn)題。因此節(jié)約合金元素，既具有重要的戰(zhàn)略意義，又可節(jié)約鋼材成本。從資源與價(jià)格的角度考慮，世界各國(guó)極為重視低合金鋼的發(fā)展。 磨損是常

5、見(jiàn)的一種失效方式，世界摩擦學(xué)會(huì)統(tǒng)計(jì)表明，摩擦損失了世界性一次能源的1/3～1/2，據(jù)有關(guān)資料介紹，磨損給工業(yè)國(guó)家?guī)?lái)的損失可達(dá)國(guó)民生產(chǎn)總值的2％～8％。我國(guó)僅就冶金礦山、農(nóng)機(jī)、煤炭、電力和建材5個(gè)工業(yè)部門不完全的統(tǒng)計(jì)，每年僅由于磨損而需要補(bǔ)充的備件就達(dá)100萬(wàn)t鋼材，相當(dāng)于15～20億人民幣。機(jī)械工業(yè)每年所用的鋼材，約有一半是消耗在備件的生產(chǎn)上，而備件中的大部分是由于磨損壽命不高而失效的。由于磨損失效開(kāi)始于材料表面，因而本研究形成的高合

6、金層與整體冶煉高碳高合金冷作模具鋼相比，只需少量的合金元素，具有節(jié)約合金元素，降低生產(chǎn)成本的特點(diǎn)。本研究對(duì)于我國(guó)堅(jiān)持節(jié)約合金元素資源，走可持續(xù)發(fā)展道路無(wú)疑具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。 利用表面技術(shù)提高材料表面性能，是近十幾年來(lái)提高鋼鐵材料耐磨性能的新型工藝技術(shù)。雙層輝光離子滲金屬技術(shù)是一種表面處理技術(shù)，是等離子表面冶金領(lǐng)域中的核心技術(shù)。其目的是通過(guò)雙層輝光離子滲金屬技術(shù)提高材料表面的合金元素含量，經(jīng)后續(xù)處理提高材料表面的性能。

7、 等離子表面冶金高速鋼就是利用雙層輝光離子滲金屬技術(shù)，在低碳鋼或低合金鋼表面，首先滲入合金元素鎢、鉬、鉻，然后進(jìn)行固溶和滲碳處理，使表面形成近似高速鋼成分的高碳高合金層。通過(guò)后續(xù)的高溫淬火和高溫回火，表面性能接近冶金高速鋼。當(dāng)工件使用條件在需要具有高溫硬度和紅硬性的時(shí)候，使用等離子W-Mo共滲+滲碳+高溫淬火+高溫多次回火的工藝技術(shù)能夠很好的解決這一問(wèn)題。但在許多的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，零件的使用狀況是處于室溫條件下，不需要高溫硬度或

8、紅硬性。此時(shí)若仍采用W-Mo共滲工藝技術(shù)，將造成能源的浪費(fèi)，合金化原理也不夠理想。 本研究課題雙層輝光離子CroMo共滲形成高耐磨LD冷作模具鋼的研究，就是繼雙層輝光離子W-Mo共滲形成表面高速鋼工藝技術(shù)后，探索和研制一種在低碳鋼或低合金鋼表面Cr-Mo共滲及離子滲碳后，經(jīng)980℃～1050℃淬火+低溫(高溫)回火，提高材料表面耐磨性和滿足一般紅硬性要求的表面梯度結(jié)構(gòu)新材料及新工藝方法，性能達(dá)到一般的紅硬性要求。是一種在實(shí)際生產(chǎn)

9、中，針對(duì)高耐磨要求而研制的表面材料。該技術(shù)的研制和開(kāi)發(fā)，拓寬了雙層輝光離子滲金屬技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。 本研究課題是利用雙層輝光離子滲金屬技術(shù)在低碳鋼表面進(jìn)行Cr-Mo共滲，表面合金成分達(dá)到高耐磨冷作模具鋼的要求，之后進(jìn)行超飽和離子滲C，經(jīng)后續(xù)處理，表面形成高耐磨強(qiáng)化層。本研究課題對(duì)Cr-Mo共滲的影響因素，滲Cr-Mo后不同含C量的淬火溫度、深冷處理時(shí)間對(duì)耐磨性能的影響，滲Cr-Mo后進(jìn)行離子滲N、N-C共滲對(duì)耐磨性能的影響等

10、進(jìn)行了深入研究。本研究課題還針對(duì)雙層輝光等離子體特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究了此類等離子體中的陰極殼層的特點(diǎn)，等離子體中的電子溫度，電子密度及其隨放電參數(shù)的變化，并對(duì)這種等離子體的一些物理特征及動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了初步的探索和研究。 本研究獲得了以下結(jié)果： 1．利用雙層輝光離子滲金屬技術(shù)，在低碳鋼表面進(jìn)行Cr-Mo共滲，表面形成高合金層，合金成分達(dá)到高耐磨冷作模具鋼的要求，之后進(jìn)行超飽和離子滲碳，表面含碳量超過(guò)平衡碳計(jì)算值，再經(jīng)

11、淬火、回火處理，形成的碳化物呈粒狀或短棒狀，碳化物細(xì)小、彌散、均勻，尺寸一般≤1μm，徹底消除了冶金高碳高合金耐磨冷作模具鋼中碳化物不均勻和軋制加工復(fù)雜的問(wèn)題。 2．低碳鋼表面經(jīng)雙層輝光Cr-Mo共滲及復(fù)合工藝強(qiáng)化處理后，碳化物主要類型為Cr<,23>C<,6>、Cr<,7>C<,3>、MO<,2>C、Mo<,6>C。 3．采用絲狀源極進(jìn)行雙層輝光離子Cr-Mo共滲，滲層厚度隨Mo含量的增加而增加，Mo的加入促進(jìn)了滲層厚

12、度的增加。 4．在低碳鋼表面雙層輝光離子Cr-Mo共滲形成高合金層后，在后續(xù)處理工藝中，即可以進(jìn)行滲C處理，也可以進(jìn)行離子滲N、N-C共滲處理，提高表面耐磨性能，與W-Mo共滲形成表面高速鋼工藝相比，增加了后續(xù)強(qiáng)化處理工藝的方法，可以滿足對(duì)耐磨強(qiáng)化層的不同要求。而且，N元素的滲入，具有減摩作用，N-C共滲處理試樣的摩擦因數(shù)較低碳Q235鋼基體經(jīng)離子滲C+淬火+低溫回火試樣的摩擦因數(shù)的降低54.6％；滲氮處理試樣的摩擦因數(shù)較低碳Q

13、235鋼基體經(jīng)離子滲C+淬火+低溫回火試樣的摩擦因數(shù)的降低58.9％。 5．低碳鋼表面雙層輝光離子Cr-Mo共滲形成高合金層經(jīng)離子滲C+980℃淬火+低溫回火處理，摩擦因數(shù)較低碳Q235鋼基體經(jīng)離子滲C+淬火+低溫回火試樣的摩擦因數(shù)的降低11.6％，相對(duì)耐磨性較低碳Q235鋼基體經(jīng)離子滲C+淬火+低溫回火試樣提高1.6倍，較T10鋼淬火+低溫回火試樣提高9.3倍。 6.低碳鋼表面雙層輝光離子Cr-Mo共滲形成高合金層經(jīng)離

14、子滲C+1050℃淬火+高溫回火處理，相對(duì)耐磨性較低碳Q235鋼基體經(jīng)離子滲C+淬火+低溫回火試樣提高0.5倍，較T10鋼淬火+低溫回火試樣提高5倍；抗回火軟化性與M2鋼相當(dāng)，高于高耐磨冷作模具LD鋼。 7.耐磨性能試驗(yàn)表明：低碳鋼經(jīng)雙層輝光離子Cr-Mo共滲及后續(xù)處理工藝復(fù)合強(qiáng)化試樣的相對(duì)耐磨性高于未滲金屬+離子滲C+淬火+低溫回火試樣；低碳鋼表面雙層輝光離子Cr-Mo共滲形成高合金層經(jīng)離子滲C+980℃淬火+低溫回火處理試樣

15、的相對(duì)耐磨性高于經(jīng)離子滲C+1050℃淬火+高溫回火處理試樣；深冷處理試樣的相對(duì)耐磨性高于未經(jīng)深冷處理試樣；隨著深冷時(shí)間的延長(zhǎng)，試樣的相對(duì)耐磨性提高，摩擦因數(shù)降低。 8.在等電位輝光放電等離子體中，當(dāng)輝光放電電壓為500～1000V、P=30～100P<,a>時(shí)，電子溫度在1～10eV范圍內(nèi)變化，其值高于高氣壓異常輝光放電一個(gè)數(shù)量級(jí)；而其電子密度在10<'21>m<'-3>數(shù)量級(jí)，其值在工業(yè)典型等離子體密度范圍內(nèi)(10<'12>

16、-10<'25>)m<'-3>，且高于典型輝光放電的電子密度范圍(10<'14>-10<'18>)m<'-3>。等電位輝光放電狀態(tài)為異常輝光放電狀態(tài)，促使更多自由電子在陰極產(chǎn)生；封閉輔助陰極減少了自由電子向邊界擴(kuò)散，但保溫效果增強(qiáng)，其總的效果就是增加電子密度，超過(guò)了一般輝光放電中的電子密度。這是等電位輝光放電效應(yīng)的兩個(gè)特色。 9.在不等電位輝光放電等離子體中，源極電壓的變化對(duì)電子溫度的影響不明顯，而工件電壓的變化對(duì)電子溫度的影響