毕业设计（论文）-稀土对模具钢表面Ni-Al涂层的影响.doc

编号 毕业设计（论文） 题目 稀土对模具钢表面 ni-al 涂层的影响 重庆理工大学毕业论文 目录 目 录 摘 要3 1前言.4 1.1 h13 钢及其热处理方法的简介.4 1.2 稀土元素对 h13 钢的影响及其催渗机理6 1.3 国内外对 h13 钢热处理方法的研究现状7 2实验10 2.1 实验材料及设备.10 2.2 工艺实验.11 3实验结果和分析12 3.1 试样表面宏观特征.12 3.2 渗层厚度分析.12 3.3 硬度.14 3.4 x 射线衍射分析.15 3.5 磨损试验分析.18 3.6 扫描电镜分析.20 4实验结论28 5展 望29 致 谢30 参考文献31 重庆理工大学毕业论文 摘要 摘 要 h13 模具钢（国内牌号为 4cr5mosiv1）是世界上普遍使用的强韧兼具的 热作模具钢。通过对其表面进行改性处理，使之适应更复杂的工况条件，具有 巨大的经济效应、环境效应和社会效应。h13 模具钢渗铝或镍铝共渗后，可以 明显提高模具的表面硬度、耐磨损性能、高温抗氧化性能和耐腐蚀性能，但是 其渗铝工艺过程中往往存在着渗铝温度较高、时间较长等问题。稀土元素的添 加可以降低渗铝温度，大幅度缩短渗铝时间。本课题研究的是稀土元素对 h13 模具钢表面 ni-al 涂层的影响。工艺实验分为两个阶段进行。第一阶段是在试 样表面刷镀一层镍层，刷镀镍层的厚度分别为 0m、20m、50m、80m；第 二阶段是在镀镍试样表面进行稀土铝共渗，稀土添加剂为 ceo2，添加量为 0.7%（wt） ，稀土铝共渗温度为 950，保温时间为 6 小时，冷却方式为随炉冷 却。利用 olympus gx51 金相显微镜、jsm6460lv 型扫描电镜及能谱仪、 dx2700 型 x 射线衍射仪、hvs-1000 型显微硬度计、nanomap500ls 三维纳米 划痕仪和 hsr-2m 高速往复摩擦磨损实验机等设备，从渗层的成分、组织和性 能等方面进行分析研究，实验证明：稀土元素的添加显著提高了 h13 模具钢表 面 ni-al 涂层的硬度和耐磨损性能。 关键词：h13 钢； 模具钢；渗铝；稀土；稀土-铝共渗； 重庆理工大学毕业论文 稀土对模具钢表面 ni-al 涂层的影 响 0 1 前 言 1.1 h13 钢及其热处理方法的简介 h13 模具钢（国内牌号为 4cr5mosiv1）是世界上普遍使用的强韧兼具的 热作模具钢，具有高的淬透性和抗热裂能力。因其具有良好的热强性、红硬性、 较高的韧性和抗热疲劳性能，广泛用于铝合金的热挤压模和压铸模，同时也可 用于制作热锻模和塑料模，是一种强韧兼备、质优价廉的钢种。 h13 钢属于中合金铬系热作模具钢，这类钢的过冷奥氏体比较稳定，具有 很高的淬透性，一般采用空淬也可以得到较高的硬度。为了防止淬火加热时模 具表面的氧化脱碳，最好采用可控气氛加热、真空热处理炉或盐浴炉进行淬火 加热。由于这些钢中含有一定数量的钒，具有良好的抗过热敏感性。淬火硬度 开始会随淬火温度的提高而增高，当升到 10501070时达到最大值，此后再 提高淬火温度，硬度增加很少而晶粒度开始长大。 渗铝是金属材料表面化学热处理的一种方法，是把钢制工件或介质加热到 一定温度使铝原子渗入并扩散到钢材基体内的过程。根据不同的使用要求、渗 铝可在碳钢、低合金钢及高铬镍合金钢基体上进行。这些材料经过渗铝后，在 其表面形成一层具有特殊性能的铁-铝合金层，从而提高材料的抗高温氧化性能 和耐腐蚀性能。渗铝的方法有多种，一般按处理过程的介质状态，操作方法及 加热手段可分为：固体粉末包埋扩散渗铝，液体热浸扩散渗铝，气体渗铝，涂 刷和喷涂渗铝，静电喷涂渗铝，电泳沉积渗铝，熔融盐电解渗铝，中频高频料 浆快速感应渗铝等多种方法。其中应用最多的是固体粉末包埋扩散渗铝和液体 热浸扩散渗铝两种方法。凡钢材需要弯曲、焊接等再加工的一般均采用固体粉 末包埋扩散渗铝方法。 渗铝钢的性能： （1）机械性能 总体上说，渗铝钢的机械性能取决于母材的机械性能，但在钢材表面进行 渗铝后，虽然渗层很薄，但渗层的机械性能同母材的机械性能相差很大，对其 基体材料的机械性能或多或少都会产生一些影响。材料表面经过渗铝后，在表 面形成一层铁-铝合金层，这层合金层硬度非常高，并且很脆。但是由于渗层厚 重庆理工大学毕业论文 稀土对模具钢表面 ni-al 涂层的影 响 1 度有限，对于结构件来说，不会对使用性能产生什么影响，但是对于受压元件 来说，就不得不考虑渗层对机械性能的影响，为了尽可能减少渗层对机械性能 的影响程度，从两个方面加以控制，第一是调整渗剂配方，使渗层硬度降低， 改善渗铝层的机械性能；第二是控制渗层厚度，在满足需要的前提下尽可能减 小渗铝层的厚度，渗层薄对机械性能自然影响就小。碳钢基体渗铝材料可以进 行冷热成型，在冷态拉伸长度不超过 8%，在加热到 760以上时拉伸不超过 25%时 不影响渗层质量。不锈钢和其它高铬镍合金钢不允许冷成型，热成形时需加热 到较高温度。 （2）抗腐蚀性能 渗铝钢耐蚀性决定于渗层的铝含量。当渗层中铝含量达 8%（wt）时，抗 h2s 作用明显增强，现在标准中一般要求渗层铝含量大于 15%（wt） ，这时渗层 的原子含量在 30%以上，对金属材料的保护作用表现在，表面形成一层致密的、 附着力很强、并且极为稳定的 al2o3保护膜，这层保护膜具有很强的自身修复 和再生性。研究表明当渗铝含量在 8%(wt)以上时,就能形成连续的保护膜。在同 等条件下，渗铝层的铝含量在 15%（wt）以上，其耐蚀性比 18-8 级不锈钢高三 倍以上。当渗层铝含量达到 20%（wt）以上时，其抗高温硫的腐蚀能力远远高 于含铬 28%的不锈钢。 （3）抗高温氧化性能 在高温氧化环境中，含铬的不锈钢能生成高铬氧化膜，同样渗铝钢表面也 能形成氧化膜，且氧化铝膜比氧化铬膜更稳定、因此渗铝层能更有效地保护金 属材料。经过实验证明 cr13 型不锈钢在 870以上氧化环境中剥皮严重。在耐 高温的铬钼钢和 18-8 型以上高铬镍合金钢表面进行渗铝可进一步提高其抗高温 氧化性能。 （4）抗渗碳性能 在高温富碳环境中，合金钢和不锈钢都发生渗碳，材料渗碳后，变得非常 脆，硬度提高，强度下降，严重时引起金属粉末化，损坏钢材的使用性能，但 在相同条件下渗铝钢的渗碳粉末化倾向甚微，因此在高温富碳环境中使用渗铝 钢会大大提高材料寿命。渗铝钢之所以能有效地阻止渗碳，是由于钢材表面加 入铝原子后、大大地降低了碳在钢中的溶解度。 重庆理工大学毕业论文 稀土对模具钢表面 ni-al 涂层的影 响 2 （5）抗渗氢性能 渗铝钢能降低钢的氢渗透速度，国外有关资料介绍，铁素体和奥氏体钢材 经过渗铝，其氢渗透速度比同种材料未经过渗铝的合金最少要降低 3 个数量级。 因此渗铝钢具有良好的抗氢腐蚀作用，渗层比基体氢渗透速度要低 3 个数量级。 （6）导热性能 渗铝钢与非渗铝钢的导热性能没有什么变化，但在高温氧化环境中，由于 两者的抗高温氧化性能不同，非渗铝钢表面会形成氧化皮，从而使两者的传热 效果发生变化。因此渗铝钢在高温氧化环境中的传热效率会有所提高。 （7）焊接性能 渗铝钢的可焊性与其母材的可焊性差别不大，但两者的焊接方法和焊接工 艺有所不同，渗铝钢的焊接要兼顾两方面问题。一是要保证材料的整体机械性 能，二是要使焊缝表层具有与渗铝层相同或相近的抗高温氧化性或耐蚀性，并 且保证焊缝处的性能连续性。因此焊接时在焊缝处要作些特殊处理。 1.2 稀土元素对 h13 钢的影响及其催渗机理 许多研究工作表明1，稀土元素对表面改性工艺过程和改性效果有以下几 方面的影响： （1）活化和净化工件表面，促进渗入原子在镀（渗）层中的吸附、沉积、 扩散，起催镀（渗）作用。 （2）提高工件表面硬度、耐磨性和疲劳强度，提高断裂韧性，使改性层强 韧化，提高改性层与基体的结合强度。 （3）改善物理、化学性能，如提高工件表面的抗氧化性和抗腐蚀性。 在相同的试验条件下，加稀土的渗剂均显示出较好的催渗效果，扩渗速度 的提高幅度约在 20%30%，处理时间可缩短 1/3 以上。稀土元素的催渗作用 可具体分析如下： （1）加速渗剂的分解。稀土元素的化学活性极强，它能使渗剂中的 al 原 子还原出来，因而能加速活性原子的产生，即能加速渗剂的分解。特别是当炉 气中含有一定浓度的稀土元素时，将有利于煤油、乙醇、丙酮等高分子链键的 重庆理工大学毕业论文 稀土对模具钢表面 ni-al 涂层的影 响 3 断裂，促进 al 等活性原子的形成，并能加速表面强化处理的动力学过程。 （2）加速模具表面对活性原子的吸收。在稀土复合渗过程中，稀土元素的 原子首先被吸附于金属的表面，从而使体系的能量降低。当稀土原子被吸附于 金属表面后，一部分便以活性稀土原子的形式提供稀土源，并不断向内部扩散； 而另一部分则由于稀土元素的电负性低，将夺取钝化膜中的氧并形成氧化物， 同时还会与其他元素形成稀土化合物。这不仅能净化和活化金属表面，而且所 形成的稀土化合物又能起到催化剂的作用。 （3）加速渗入原子的扩散。当稀土元素的原子渗入模具表面后，将优先吸 附于晶界、空位及位错等晶体缺陷处，使表面浓度升高，浓度梯度相应增大， 从而使渗入原子的扩散加速。同时，其化学位亦随之升高，原子扩散的驱动力 增大；另外由于大尺寸稀土原子的渗入，会导致严重的晶格畸变，产生大量的 空位及位错等晶体缺陷，这就为渗入原子向内扩散提供了众多的通道，使其扩 散激活能改变共渗过程中的热力学条件，并加速其动力学过程，起到催渗作用。 但是，过量稀土原子的渗入会使畸变的晶格、晶界、空位及位错等晶体缺陷形 成相互制约的应力场，使扩散原子难以突破“钉扎”阻力，形成一层壁垒，从而 阻碍 al 等原子的进一步扩散，起到阻渗作用。所以，稀土复合渗的处理过程中， 只有添加适量的稀土元素才会起到催渗效果。 1.3 国内外对 h13 钢热处理方法的研究现状 1.3.1 激光表面处理 激光表面强化技术在近十年内迅速发展。其目的是改变材料表面的成分和 显微组织，改变表面性能，如提高零件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能。 激光用于处理模具表面的方法包括激光表面淬火、激光表面涂覆、激光合金化、 激光冲击硬化和激光非晶化等。目前激光表面淬火和激光表面涂覆及合金化已 用于提高模具寿命。其中激光表面淬火用得较为广泛。 （1）激光表面淬火 激光表面淬火是以高能量的激光束辐照到金属表面，使其表面急速加热至 相变温度以上转变为奥氏体，此时基体仍处于冷态，且与加热区之间有很陡的 温度梯度，当激光束离开后，利用金属本身的热传导进行“自淬火”，发生马氏 重庆理工大学毕业论文 稀土对模具钢表面 ni-al 涂层的影 响 4 体转变，获得相变硬化。与传统的方法相比，激光淬火在表面形成了一层硬度 极高的特殊淬火组织。淬火层的硬度比普通淬火的硬度还高 1520，淬硬 层可达 0.12.5mm，可以大幅度提高模具的耐磨性和使用寿命，而且强化后模 具表面光滑如初，变形小，基本上不需要再加工就能直接使用，特别适合处理 形状复杂、精加工后不易采用其它强化方法的模具。 （2）激光合金化 激光合金化是以激光为热源，在模具表面涂上特定的合金粉末，以足够的 功率及扫描速度，使表面金属快速熔凝，形成一层具有要求深度和化学成分的 合金层，获取特殊的表面性能。利用激光合金化技术获得的高性能硬化层与基 体结合强度远高于化学气相沉积，能在一些表面性能差、价格便宜的金属表面 生成耐磨、耐蚀、耐高温的合金表面，代替昂贵的整体高级合金，因此在经济 上和技术上都有十分重要意义。除此之外，它在原理上基本与相变硬化类似， 也是利用激光束对模具表面进行熔融和激光处理，可获得非常细小的组织，因 而表面强化性能更高，对低碳钢、中碳钢、低合金工具钢等处理后，其表面性 能几乎可与高强度钢相媲美。 1.3.2 多元共渗及复合渗 将工件表层渗入多于一种元素的化学热处理工艺称为多元共渗， 在模具上 应用的多元共渗主要有碳氮共渗、氮碳共渗、硼氮共渗、硫氮碳共渗等。碳氮 共渗与氮碳共渗，即同时向零件表面渗入碳和氮的化学热处理，碳氮共渗也称 氰化，氮碳共渗也称软氮化。碳氮共渗以渗碳为主，氮碳共渗以渗氮为主。与 单一渗碳相比，碳氮共渗有许多优点，主要提高了模具的表面硬度、耐磨性和 疲劳极限；并且由于碳氮共渗温度较渗碳温度低，共渗后一般可直接淬火，简 化了生产工序，节约能源并减少了模具的变形。碳氮共渗根据使用介质的不同 可分为气体、液体、固体碳氮共渗。液体碳氮共渗有毒，污染环境， 工作条件 差，已很少应用。气体碳氮共渗速度快，模具变形小，模具具有较高的耐磨性、 抗粘着性，可使模具寿命提高 25 倍。氮碳共渗表层主要以渗氮为主，提高模 具表面的耐磨性和抗咬合性。气体氮碳共渗的主要特点是：力学性能综合了渗 碳和渗氮的优点，与渗碳相比表面硬度高、耐磨性好，同时还具有一定的抗蚀 性， 由于共渗层存在残余压应力而提高了钢的疲劳极限；与渗氮相比，共渗层 重庆理工大学毕业论文 稀土对模具钢表面 ni-al 涂层的影 响 5 深度深，表面脆性小。 2 实 验 2.1 实验材料及设备 2.1.1 试样材料 h13 模具钢（国内牌号为 4cr5mosiv1）是世界上普遍使用的强韧兼具的 热作模具钢。其成分如表 3-1 所示。 表表 3-1 h13 钢成分钢成分 化学成分（wt%） 牌号 cmnvsipscrmo h130.420.291.080.860.0180.0115.121.26 2.1.2 实验用品 （1）渗铝剂：fe-al 粉。具体成分为： 55.16wt%al，0.017wt%p，0.022wt%s，0.078wt%o，余量为 fe。 （2）填充剂：本实验全部采用未添加填充剂的渗铝剂。 （3）催渗剂：分析纯 nh4cl。 （4）稀土：分析纯 ceo2。 2.1.3 其它实验材料 坩埚、水玻璃、耐火泥等。 实验选用坩埚作为容器，并用水玻璃+耐火泥密封，烘干后放置于热处理炉 中进行加热渗铝。 2.1.4 实验设备 （1）利用 msd-100a 刷镀电源进行电刷镀镍。 （2）渗铝剂在 dhg-9053a 型电热恒愠鼓风干燥箱中干燥。 （3）试样渗铝在 sx2-4-13 型箱式电阻炉（最高加热温度 1300）中完成。 重庆理工大学毕业论文 稀土对模具钢表面 ni-al 涂层的影 响 6 （4）制备成金相后利用 olympus gx51 金相显微镜、jsm6460lv 型扫 描电镜及能谱仪对试样的渗层及表面进行组织观察和成分分析。 （5）用 dx2700 型 x 射线衍射仪分析试样表面的相结构。 （6）用 hvs-1000 型显微硬度计测试试样的渗层及表面显微硬度。 （7）用 hsr-2m 高速往复摩擦磨损实验机测试试样的耐磨损性能。 （8）用 nanomap500ls 三维纳米划痕仪检测试样的磨损形貌及机理。 2.2 工艺实验 本课题研究的是稀土对 h13 模具钢表面 ni-al 涂层的影响。根据本研究目 的，此工艺实验分为两部分进行：一是在 h13 模具钢表面先刷镀一层镍层，二 是在此基础上进行稀土铝共渗。 镀 ni 实验过程为，电净水洗活化水洗镀特殊镍水洗 镀快速镍。各镀液配方如表 3-2表 3-5 所示。电净时工件接负极，镀笔接 正极；活化时，工件接正极，镀笔接负极；镀特殊镍时，工件接负极，镀笔接 正极；镀快速镍时，工件接负极，镀笔接正极。镍层厚度分为 20m、50m 和 80m 三个厚度。试样一边镀镍，另一边不镀镍。 表表 3-2 电净液的配方电净液的配方 成分naoh（g/ l）na2co3（g/ l）na3po4（g/ l）naci（g/ l） 含量25.021.750.024.0 表表 3-3 活化液的配方活化液的配方 成分h2so4（ml/ l）(nh4)2so4（g/ l） 含量80.6110.9 表表 3-4 特殊镍的配方特殊镍的配方 成分niso4.7h2o（g/l）nicl2.6h2o（g/l） ch3cooh（ml /l） hcl（ml /l） 含量396156921 表表 3-5 快速镍的配方快速镍的配方 成分niso4.7h2o（g/l）c6h7o7nh4（g/l）ch3coon（g/l）nh3.h2o（ml/l） 含量2545623106 稀土铝共渗实验，先把铁铝粉和分析纯 ceo2在 120下烘 3 小时，每份渗 重庆理工大学毕业论文 稀土对模具钢表面 ni-al 涂层的影 响 7 铝剂在研钵中研磨 1 小时，使之充分混合，把试样和渗铝剂装在坩埚中，使试 样处于坩埚中心位置，充分包埋，用水玻璃和耐火泥轻轻密封，在 70下烘 30 分钟后取出，最后在 950热处理炉中保温 6 小时后，随炉冷却。 3 实验结果和分析 3.1 试样表面宏观特征 为了方便在本实验中将试样编号，如表 3-1 所示。 表表 3-1 试样编号试样编号 试样编号试样名称 0 号单纯渗 al 1 号re-al 共渗 2 号ni(20m)+re-al 复合渗 3 号ni(50m)+re-al 复合渗 4 号ni(80m)+re-al 复合渗 从坩埚中取出时试样表面的宏观特征如表 3-2 所示。 表表 3-2 试样表面宏观特征试样表面宏观特征 试样编号试样表面宏观特征 1 号表面呈白亮色，无粘着现象 2 号表面呈浅灰色，无粘着现象 3 号表面呈灰色，无粘着现象 4 号表面呈深灰色，无粘着现象 3.2 渗层厚度分析 图 3-1(a)(d)依次为 1 号、2 号、3 号和 4 号试样的渗层金相组织。表 3-3 和图 3-2 是对应的渗层平均厚度及其变化曲线。 从图 3-1 可知，1 号试样渗层组织疏松，结合程度一般，随着镀 ni 层厚度 增大到 50m 时，渗层组织越来越致密，结合程度越来越好。这可能是因为 al 重庆理工大学毕业论文 稀土对模具钢表面 ni-al 涂层的影 响 8 和 ni 原子间发生了互扩散现象，形成了镍铝化合物相。但 4 号试样渗层组织又 变得疏松，结合程度下降。这是因为镀层本身具有多孔性，镀层越厚，渗层内 的孔隙越多，使渗层组织变得疏松；镀层越厚，对 al 原子渗入的阻碍作用越大， 使渗层结合程度下降。 (a) 1# re-al 共渗 (b) 2# ni(20m)+re-al 复合渗 (c) 3# ni(50m)+re-al 复合渗 (d) 4# ni (80m)+re-al 复合渗 图图 3-1 渗层金相组织渗层金相组织 表表 3-3 试样渗层平均厚度试样渗层平均厚度 试样编号1 号2 号3 号4 号 渗层厚度(m)246154.18103.6689.22 重庆理工大学毕业论文 稀土对模具钢表面 ni-al 涂层的影 响 9 01020304050607080 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 /um /um 图图 3-2 试样渗层平均厚度变化曲线试样渗层平均厚度变化曲线 从图 3-2 和表 3-3 可知，1 号试样的渗层平均厚度最大为 246m。随着镀 ni 层厚度的增大，试样的渗层平均厚度呈现出下降趋势，4 号试样的渗层平均 厚度最低为 89.22m。这是因为镀 ni 层对渗入原子起到了阻碍的作用，并且随 着镀 ni 层厚度的增大，这种阻碍作用随之增大。 33 硬度 本实验选用 hvs-1000 型显微硬度计，加载载荷为 50g，加载时间 15s。 331 表面硬度分析 试样的表面硬度如表 3-4 所示。 表表 3-4 试样表面硬度试样表面硬度 试样编号0 号1 号2 号4 号 表面硬度/ hv0.05602708722.3760.6 从表 3-4 可以看出，稀土铝共渗比单纯渗 al 试样的表面硬度要高的多，达 到 708 hv0.05；在稀土铝镍复合渗中随着镀 ni 层厚度的增加，试样表面硬度随 之增大，4 号试样硬度最大，达到 760.6 hv0.05。这是因为一方面稀土元素的添 加促进了 al 原子的渗入，另一方面 ni 和 al 原子之间形成了高硬度的镍铝化 合物相。 332 渗层硬度分析 重庆理工大学毕业论文 稀土对模具钢表面 ni-al 涂层的影 响 10 图 3-3 依次为 1 号、2 号和 4 号试样渗层硬度变化曲线。 从图 3-3 可以看出，稀土铝共渗和稀土铝镍复合渗试样的渗层硬度变化趋 势基本吻合，都是从表层至基体硬度依次下降，渗层表面硬度最高。在过渡区 域硬度有些变化，这是因为稀土元素与渗层内各合金元素的亲合程度不同，改 变了渗层内各合金元素的含量。 0306090120150180210240270300330360 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 1 2 4 /hv /um 图图 3-3 渗层硬度变化曲线渗层硬度变化曲线 34 x 射线衍射分析 本实验采用 dx2700 型 x 射线衍射仪分析试样表面的相结构。 在一定温度和铝含量条件下，铁铝之间至少有 5 种稳定化合物存在。rabin 和 wright5认为，fe 与 al 之间的反应一般首先生成 feal3等富铝化合物，进一 步退火处理才会生成 feal 或 fe3al。joslin7与其合作者更发现在一定条件下 fe2al 的反应合成中有两个阶段效应，即在 850900左右首先生成 feal3， 而后在更高的温度下（1200左右）依据 fe、al 含量的比例再生成含铁量更高 的铁铝化合物。 图 3-4(a)(d)依次为 0 号、1 号、2 号和 4 号试样的 x 射线衍射图。 重庆理工大学毕业论文 稀土对模具钢表面 ni-al 涂层的影 响 11 (a) 0# 单纯渗 al (b) 1# re-al 共渗 重庆理工大学毕业论文 稀土对模具钢表面 ni-al 涂层的影 响 12 20304050607080 -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 intensity 2 nial ni 3al4 (c) 2# ni(20m)+re-al 复合渗 20304050607080 0 2000 4000 6000 8000 10000 intensity 2 nial (d) 4# ni(80m)+re-al 复合渗 图图 3-4 试样的试样的 x 射线衍射图射线衍射图 从图 3-4 可以看出：单一渗铝的试样渗层表面主要由 fe3al、feal 和 fe2 al5相组成，且 fe2al5相的峰值明显大于另两个相；当渗铝剂中添加了 重庆理工大学毕业论文 稀土对模具钢表面 ni-al 涂层的影 响 13 0.7%（wt）ceo2后，试样渗层表面主要还是由 fe3al、feal 和 fe2al5相组成， 但 fe3al 和 feal 相的峰值明显大于 fe2al5相的。这是因为稀土元素的添加促进 了 al 原子的渗入，使 fe 和 al 原子间由开始形成的富铝化合物相向富铁化合物 相转化。2 号试样渗层表面主要由 nial 和 ni3al4相组成；4 号试样渗层表面主 要由 nial 相组成。这可能是因为镍镀层厚度的增大，加大了对 al 原子渗入的 阻碍作用，使 ni 和 al 原子间形成了相对富镍化合物相。 35 磨损试验分析 351 磨损时间与摩擦系数的关系分析 实验采用 hsr-2m 高速往复摩擦磨损实验机，加载载荷 100n，加载时间 5min，转速 200r/min。 图 3-5 依次为 0 号、1 号、2 号和 4 号试样的磨擦系数随磨损时间的变化曲 线。 0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 0 1 2 4 min 图图 3-5 试样的磨擦系数随磨损时间的变化曲线试样的磨擦系数随磨损时间的变化曲线 从图 3-5 对比分析后可以看出，随着磨损时间的增加，单纯渗铝和稀土铝 共渗试样的摩擦系数基本成正比增大，添加了 0.7% ceo2的试样的摩擦系数明 重庆理工大学毕业论文 稀土对模具钢表面 ni-al 涂层的影 响 14 显小于单纯渗 al 试样，且从 4min 开始不再有继续增大的趋势。随着镀 ni 层厚 度的增加，试样的摩擦系数越来越小，说明试样的耐磨损性能越来越好。其中 4 号试样的耐磨损性能最好，因为 4 号试样的摩擦系数最小，并且稳定性很高。 可能的解释为一方面稀土元素的添加促进了铝原子的渗入；另一方面 al 和 ni 原子间发生了互扩散现象，形成了高硬度的铝镍化合物相，提高了试样的表面 硬度。 352 磨痕形貌分析 图 3-6 为 0 号、1 号、2 号和 4 号试样的磨痕截面图。图 3-7 为 0 号、1 号、 2 号和 4 号试样的磨损量柱形图。图 3-8(a)(c)依次为 0 号、1 号和 2 号试样的 磨痕整体形貌图。 -1400 -1200 -1000-800 -600 -400 -2000200 400 600 800 100012001400 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 1 2 4 /um /um 图图 3-6 试样磨痕截面图试样磨痕截面图 综合图 3-6、图 3-7 和图 3-8 可以看出，稀土铝镍复合渗试样的耐磨损性能 比稀土铝共渗和单纯渗铝的都要好，稀土铝共渗试样的耐磨损性能比单纯渗铝 的要好。其中 4 号试样的磨损量最小（0.120） ，其耐磨损性能最好；0 号试样的 磨损量最大（2.004） ，其耐磨损性能最差。这是因为试样的表面硬度得到不同 程度的提高，一方面稀土元素的添加促进了铝原子的渗入；另一方面 al 和 ni 原子间发生了互扩散作用，形成了高硬度的镍铝化合物相。 重庆理工大学毕业论文 稀土对模具钢表面 ni-al 涂层的影 响 15 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0号1号2号4号 磨损量 图图 3-8 试样的磨损量柱状图试样的磨损量柱状图 (a) 0# 单纯渗 al (b) 1# re-al 共渗 (c) 2# ni(20m)+re-al 共渗 图图 3-7 试样磨痕整体形貌试样磨痕整体形貌 353 磨痕机理分析磨痕机理分析 图 3-9(a)(b)依次为 1 号和 2 号试样在 500 倍下的磨痕形貌图。 重庆理工大学毕业论文 稀土对模具钢表面 ni-al 涂层的影 响 16 (a) 1# re-al 共渗 (b) 2# ni(20m)+re-al 复合渗 图图 3-9 试样磨痕形貌试样磨痕形貌 从图 3-9 可以看出，试样的磨损机理为粘着磨损，因为图中没有出现一道 道的犁沟状痕迹，而是一块块的块状脱落痕迹。 36 扫描电镜分析 361 稀土铝共渗（1 号试样） （1） 线扫描分析线扫描分析 图 3-10 是 1 号试样的线扫描分析图 (a) 过镀区组织 5000 (b) 渗层至基体线扫描结果 重庆理工大学毕业论文 稀土对模具钢表面 ni-al 涂层的影 响 17 (c) fe 分布情况 (d) al 分布情况 图图 3-10 1 号试样线扫描分析图号试样线扫描分析图 从图 3-10 可以看出：基体内基本无 al，渗层内 al 的含量从表面至交界处 呈现出减小的趋势；渗层内 fe 含量低于基体，从表面至基体呈现出逐渐增大的 趋势。由此看出，两种元素表现出明显的互扩散趋势。 （2）定点元素分析）定点元素分析 图 3-11 和表 3-5 是 1 号试样的渗层定点元素分析结果。 图图 3-11 定点元素分析定点元素分析 表表 3-5 渗层定点元素分析结果渗层定点元素分析结果 spectrumalsivcrfetotal line spectrum(1)33.772.4963.74100.00 line spectrum(2)26.044.8169.15100.00 line spectrum(3)11.701.594.5482.17100.00 重庆理工大学毕业论文 稀土对模具钢表面 ni-al 涂层的影 响 18 line spectrum(4)1.741.610.644.4191.60100.00 line spectrum(5)1.600.765.0592.59100.00 line spectrum(6)1.390.756.6491.23100.00 max.33.771.611.596.6492.59 min.1.741.390.642.4963.74 从图 3-11 和表 3-5 可以看出： 距表面较近的点 al 含量较高（33.77%） ，随着距表面距离的增大，al 含 量相应减小，至渗层和基体的交界处已降低至 1.74%，基体内的定点不含 al。 cr 的含量随着距表面的距离增大由 2.49%增大到 6.64%，但在渗层和基 体的交界处降低到 4.41%；基体内靠近渗层的定点 cr 含量为 6.64%，高于未处 理的 h13 钢（5.12%） 。 fe 的含量随着距表面的距离增大而增大；至基体和渗层交界处达到 92.59%，高于基体内的定点（91.23%） 。 渗层内的定点基本不含 si，在渗层与基体交界处 si 的含量为 1.61%，明 显高于基体内的定点 1.39%。 由此证明 al 和 fe 原子发生了互扩散现象，且 al 原子的渗入使渗层内其它 合金元素的含量减少或消失。某些合金元素在靠近基体的渗层处的含量高于基 体内的含量。可以解释为 al 的渗入将这些合金元素排挤至靠近基体的渗层内， 造成这一区域内这些合金元素的富集。 （3） 特殊组织定点元素分析特殊组织定点元素分析 扫描电镜下观测到渗层内出现许多特殊的白亮颗粒状组织，其定点元素分 析结果如图 3-12 及表 3-6 所示。 重庆理工大学毕业论文 稀土对模具钢表面 ni-al 涂层的影 响 19 图图 3-12 渗层内特殊白亮颗粒状组织渗层内特殊白亮颗粒状组织 表表 3-6 渗层内特殊组织定点元素分析结果渗层内特殊组织定点元素分析结果 spectrumalsivcrfemototal spectrum 11.868.5931.5754.363.63100.00 spectrum 26.197.7586.07100.00 spectrum 35.402.564.9087.14100.00 spectrum 45.911.511.764.5786.25100.00 max.6.192.568.5931.5787.143.63 min.1.861.511.764.5754.363.63 由图 3-12 及表 3-6 可以看出：渗层内特殊白亮颗粒状组织主要由 al、si、v、cr、fe 和 mo 元素组成。 362 稀土铝镍复合渗（2 号试样） （1） 线扫描分析线扫描分析 图 3-13 是 2 号试样的线扫描分析图。 重庆理工大学毕业论文 稀土对模具钢表面 ni-al 涂层的影 响 20 (a) 渗层组织 5000 (b) 渗层至基体线扫描结果 (c) fe 分布情况 (d) al 分布情况 (e) ni 分布情况 图图 3-13 2 号试样线扫描分析图号试样线扫描分析图 从图 3-13 可以看出：从渗层到基体，fe 元素呈现出先增大再减小后增大的 趋势，在靠近基体的渗层内 fe 元素有一个由高到低下降的过程，最低时低于基 体 fe 元素含量；从渗层到基体，al 元素呈现出由高到低下降的过程；从渗层 到基体，ni 元素呈现出由高到低下降的过程，在距表面 40m 以远的渗层内基 本无 ni 元素。由此得出在距表面 2040m 内 fe、al 和 ni 三种元素表现出明 重庆理工大学毕业论文 稀土对模具钢表面 ni-al 涂层的影 响 21 显的互扩散现象。这是因为镀镍层对铝原子的渗入起到了阻碍作用。 （2）定点元素分析）定点元素分析 图 3-14 和表 3-7 是 2 号试样的渗层定点元素分析结果。 从图 3-14 和表 3-7 可以看出： 距表面较近的点 al 含量较高（32.33%） ，随着距表面距离的增大，al 含 量相应减小，至渗层和基体的交界处已降低至 1.26%，基体内的定点不含 al 元 素。由此看出，al 元素从表面向基体扩散。 在渗层内基本不含 si 元素，只是在靠近基体的渗层内，si 元素含量从 2.30%下降到 1.09%，小于基体内的定点 1.43%。 靠近表面最近的定点不含 cr 元素，在渗层内，cr 元素呈现出先降低再 增大后降低的趋势，其中结合部的 cr 元素含量 5.21%明显小于基体内定点的 5.97%。 在渗层内，fe 元素呈现出先增大后降低再增大的趋势，其中结合部的 93.70%大于基体内定点的 92.60%。 距表面最近的定点内含有 ni 元素，渗层其余定点内不含 ni 元素。这说 明渗层表面含有 ni 元素。 可能的解释为：一方面在靠近表面的定点内 fe、al 和 ni 原子间发生了互 扩散现象；另一方面稀土元素与 si、cr 的结合力较大，致使渗层内的 si、cr 元素的含量明显高于基体内的。 图图 3-14 定点元素分析定点元素分析 重庆理工大学毕业论文 稀土对模具钢表面 ni-al 涂层的影 响 22 表表 3-7 渗层定点元素分析结果渗层定点元素分析结果 spectrumalsicrfenitotal line spectrum(1)1.435.9792.60100.00 line spectrum(2)1.095.2193.70100.00 line spectrum(3)1.262.306.6089.84100.00 line spectrum(4)4.184.7791.05100.00 line spectrum(5)10.855.9383.22100.00 line spectrum(6)32.3336.9130.75100.00 max.32.332.306.6093.7030.75 min.1.261.094.7736.9130.75 363 稀土铝镍共渗（4 号试样） （1） 线扫描分析线扫描分析 图 3-15 是 4 号试样线扫描分析图 从图 3-15 可以看出：从基体到渗层，fe 元素呈现出先增大后减小的趋势； 从渗层到基体，al 元素呈现出一直减小的趋势，在距表面 80m 以远的渗层内 基本不含 al 元素；从渗层到基体，ni 元素表现出先增大后减小再增大再减小 的趋势，在距表面 90m 以远的渗层内基本不含 ni 元素。由此看出在距表面 80m 左右，fe、al、ni 间发生了互扩散现象。这是因为镀镍层对铝原子渗入 的阻碍作用进一步加强的原因。 (a) 过镀区组织 2000 (b) 渗层至基体线扫描结果 重庆理工大学毕业论文 稀土对模具钢表面 ni-al 涂层的影 响 23 (c) fe 分布情况 (d) al 分布情况 (e) ni 分布情况 图图 3-15 4 号试样线扫描分析图号试样线扫描分析图 重庆理工大学毕业论文 稀土对模具钢表面 ni-al 涂层的影 响 24 4实验结论 （1）由于镀镍层对铝原子的渗入起到了阻碍作用，因此，随镀镍层厚度的 增加，稀土铝镍复合渗试样的渗层平均厚度呈现出下降趋势。1 号试样渗层平 均厚度最大，达到 246m；4 号试样渗层平均厚度最小，为 89.22m。 （2）稀土铝镍复合渗试样的表面硬度比稀土铝共渗和单纯渗铝的高，稀土 铝共渗试样的表面硬度比单纯渗铝的高。4 号试样的表面硬度最大，达到 760.6 hv0.05，0 号试样的表面硬度最小，达到 602 hv0.05。 （3）稀土铝镍复合渗试样的耐磨损性能比稀土铝共渗和单纯渗铝的都要好， 稀土铝共渗试样的耐磨损性能比单纯渗铝的要好。其中 4 号试样的磨损量最小 （0.12