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制砖机模板表面强硬化提高其耐磨性的研究 摘要 工业上生产特种工业用砖的制砖机对其使用的模板要求高的耐磨性，而现有的 制砖机模板耐磨性低，使用寿命短。本课题针对制砖机模板的使用情况，选用低中 档的普通钢和高档的硬质工模具材料电冶钢结硬质合金，采用表面强硬化处理来提 高常4 砖机模板表面的耐磨性，由此提高其使用寿命。 本项研究选择的低碳钢为q 2 3 5 钢，中碳钢为4 5 钢，电冶钢结硬质合金为 d g j w 4 0 。前二者进行微粉硼碳共渗表面强化处理，再进行淬火回火处理，后者进行 强韧化处理及表面硼碳共渗处理。重点研究经处理后的模板表层的组织和性能，确 定最佳的处理工艺制造新型的制砖机模板；对制作的模板到生产现场上进行实际的 使用寿命实验，了解其使用情况及失效原因，进一步优化表面强化处理工艺。 研究结果表明，0 2 3 5 钢、4 5 钢和d g j w 4 0 具有良好的硼碳共渗性能，通过固体 粉末硼碳共渗处理后，均获得了较厚的渗层，渗层组织均匀，性能良好；共渗工艺 参数影响渗层的厚度，渗层的厚度随着共渗时间的延长和共渗温度的升高而增大； 共渗处理后，材料表面的硬度达1 2 0 0 1 6 0 0 h v ol ；经生产现场检验，改进处理工艺 后的模板，其使用寿命得到了大幅度的提高。但是，使用高档的电冶钢结硬质合金 制成的模板，使用寿命是普通中低碳钢的1 0 倍以上，虽然模板的成本较高，但是 考虑到停机换模及表面质量等因素，建议在条件允许的情况下，尽量选用电冶钢结 硬质合金。 关键词：制砖机模板；中低碳钢；电冶钢结硬质合金：表面强硬化；耐磨性 r e s e a r c ho ns u r f a c es t r e n g t h e n i n g - h a r d e n i n gt r e a t m e n te n h a n c i n gt h e w e a rr e s i s t a n c eo f b r i c km o u l d i n gm a c h i n et e m p l a t e a b s t r a c t i nt h ei n d u s t r yp r o d u c t i o n , t h eb r i c km o u l d i n gm a c h i n et e m p l a t eo fm a k i n g s p e c i a li n d u s t r i a lb r i c ka r er e q u e s t e dt oh a v et h eh i g hw e a rr e s i s t a n c e b u tt h ew e a l r e s i s t a n c eo f t h ee x i s t i n gb r i c km o d d i n gm a c h i n et e m p l a t ei sb a d ，a n di t ss e r v i c el i f e i sl o w 1 1 l i st o p i c i nv i e wo ft h es e r v i c ec o n d i t i o no fb r i c km o u l d i n gm a c h i n e t e m p l a t e s e l e c t st h el o wa n dt h em i d d l eg r a d es t e e la n dt h es l a p u pm o u l dm a t e r i a l w cs t e e l b o n d e dc a r b i d e sb ym e a n so fe l e c t r o - s l a ga n dc a s t i n g ，u s e st h es u r f a c e s t r e n g t h e n i n g h a r d e n i n gt r e a t m e n tt oe l l h a n c ct h es u r f a c ew e a rr e s i s t a n c eo ft h e b r i c km o u l d i n gm a c h i n et e m p l a t e ，a n dt h u se l l h a n c e si t s t v i c gl i f e t h i sr e s e a r c hs e l e c t st h el o w - c a r b o ns t e e lq 2 3 5 t h em e d i u r nc a r b o ns t e e l s e l e c t s4 5s t e e l ，w cs t e e l - b o n d e dc a r b i d e sb ym e a n so fe l e c t r o - s l a ga n dc a s t i i l g s e l e c t sd g j w 4 0 ，t h ef i r s ta n dt h es e c o n dc a r r yo nt h ef i n ep o w d e rb o r o c a r b o n i z a t i o n t oi m p r o v ei t si n t e n s i t y ，t h e nc a r r i e so nq u e n c h i n ga n dt e m p e r i n gt r e a l m e n t ，t h el a s t c a r r i e so nc o n l l n o nh e a tt r e a t m e n ta n db o r o e a r b o n i z a t i o nt r e a t m e n t s t u d yt h e o r g a n i z a t i o na n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h es u r f a c ea f t e rt r e a t m e n t ；c h o o s et h eb e s t c r a f tt om a n u f a c t u r en e wb r i c km o u l d i n gm a c h i n et e m p l a t e ；a p p l yt h et e m p l a t ei n p r a c t i c a lp r o d u c t i o na n df i n do u ti t ss e r v i c ec o n d i t i o na n df a i l u r er e a s o n , t h e n i m p r o v es u r f a c es t r e n g h e n i n gt r e a t m e n tc r a f ta g a i n t h er e s u l t ss h o wt h a tq 2 3 5 4 5s t e e la n dd g j w 4 0h a v et h eg o o dp e r f o r m a n c e o fb o r o c a r b o n i z a t i o n , a l lg a i nt h et h i c k e rl a y e ra f t e rs o l i dp o w d e rb o r o c a r b o n i z a t i o n a n dt h el a y e ro r g a n i z a t i o ni se v e na n dt h ep e r f o r m a n c ei sg o o d ；n l ec r a f tp a r a m e t e r s i n f l u e n c et h et h i c k n e s so ft h el a y e r , t h et h i c k n e s so ft h eb o r o c a r b o n i z i n gl a y e r i n c r e a s e sw i t ht h et i m ee x t e n d i n ga n dt h et e m p e r a t u r eh o i s t i n g ；t h e 飘骶 m i c r o h a r d n e s sr e a c h e s1 2 0 0 - - 1 6 0 0 h v o aa f t e rt h et r e a t m e n t ；t h es e r v i c el i r eo fb r i c k m o u l d i n gm a c h i n et e m p l a t e a f t e rt h ei m p r o v e dc r a f to b t a i n st h el a r g es c a l e e n h a n c e m e n ta f t e rp r o d u c t i o ne x a m i n a t i o n b u tt h et e m p l a t em a d eo fw c s t e e l b o n d e dc a r b i d e sb ym e a n so fe l e c t r o - s l a ga n dc a s t i n g i t s s e r v i c el i f ei sm o r e 1 0t i m e st h a no r d i n a r yl o w - c a r b o ns t e e la n dm e d i u m c a r b o ns t e e l a l t h o u g ht h e t e m p l a t ec o s ti sh i g h , i ti ss u g g e s t e dt oc h o o s ew c s t e e l b o n d e dc a r b i d e sb ym e a l l s o fe l e c t r o s l a ga n dc a s t i n ga sf a ra sp o s s i b l ei nt h ec o n d i t i o np e r m i s s i o nc o n s i d e r i n g o f c h a n g i n gt h et e m p l a t ea f t e rt h em a c h i n es t o p p e da n ds u r f a c eq u a l i t ye t c k e yw o r d s ：b r i c km o u l d i n gm a c h i n et e m p l a t e ；l o w c a r l 枷a n dm e d i u m - c a r b o ns t e e l ；w c s t e e l - b o n d e dc a r b i d e sb ym e a r l so fe l e c t r o - s l a ga n dc a s t i n g ；s u r f a c es t r e n g t h e n i n g - h a r d e n i n g t r e a t m e n t ；w e a rr e s i s t a n c e 插图清单 图1 1 制砖设备7 图21嘲一200磨损试验一13 图3 1 观察金相组织的不同部位示意图1 5 图32试样a的金相组织一一16 图33试样b的金相组织18 图34试样c的金相组织19 图3 5 试样d 的金相组织 图3 6 试样的显微硬度曲线图 图4 1 制砖机模板 2 0 2 3 2 5 图4 2 观察金相组织的不同部位示意图2 6 图4 3 不同工艺条件下的渗硼层金相组织结构图2 6 图4 4 渗层厚度与时间的工艺曲线2 9 图5 1 铁箱一3 1 图5 2 在铁箱与坩埚中的试样渗层显微组织的比较一3 2 图6 1 厂家使用后的制砖机模板一3 4 图6 2 试样的共渗层组织一3 5 图6 3 试样热处理后的显微组织一3 6 图6 4 试样的硬度梯度曲线3 8 图6 5q 2 3 5 钢热处理后的磨损曲线图3 9 图 6 6厂家返回的模板一3 9 图7 1试样a 共渗处理后的显微组织4 l 图7 2 试样b 共渗处理后的显微组织4 2 图7 34 5 钢热处理后磨损曲线图4 4 图8 1 原始组织一4 7 图8 2 渗层的组织4 7 图8 3 粉冶g w 4 0 共渗7 h 显微组织4 8 图8 4d g j w 4 0 共渗7 h 的显微组织4 8 图8 5d g j w 4 0 共渗后的截面硬度梯度 图8 6d g j w 4 0 渗层x 射线衍射线 图8 7d g j w 4 0 热处理后磨损曲线图 图9 1 三种材料表面经硼碳共渗后的磨损曲线比较 4 9 5 0 5 1 5 2 表格清单 表2 1 轴承钢g c r l 5 的化学成分1 3 表3 1 试样a b 的渗硼层厚度 表3 2 试样a b 的显微硬度 表3 3 试样c d 的渗硼层厚度 表3 4 试样c d 的显微硬度 2 l 2 2 2 2 2 2 表4 1q 2 3 5 钢的化学成分2 5 表4 2 保温5 h 共渗层厚度与温度的关系 表4 3 渗层厚度与保温时间的关系 表4 4 不同工艺条件下渗层的显微硬度 表5 1 经9 2 0 5 h 共渗后模板的渗层厚度 表6 1 改进共渗工艺后得到的渗层厚度 表6 29 6 0 c 7 h 时渗层的显微硬度 表6 3 试样热处理后的显微硬度 2 8 2 9 2 9 3 2 3 5 3 6 3 7 表7 14 5 钢的化学成分- 4 1 表7 2 试样a 共渗处理后的渗层厚度 表7 3 试样经不同热处理后的硬度 表8 1d g j w 4 0 的化学成分 表8 2d g j w 4 0 合金经不同时间共渗所得渗层厚度 4 3 4 3 4 7 4 8 表8 3 共渗处理后的表面硬度一4 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得 盒b b 王些盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材科。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：弗泵签字日期：z 叼年，月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金日b 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。允许论文被查阅和借阅。本人授权金壁王些太 主生可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文储躲乡吾嶷 签字日期：z 。刀1 1 y 学位论文作者毕业后去向： t 作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编： 剞窆卿 i 致谢 日月如梭，一年多的光阴在忙忙碌碌中很快就要过去了。这真是令人难忘 的岁月，在这段时间中，我学到了很多，收获颇丰。在此文付稿之际，我的心 情久久不能平静。在此，我向所有为本课题的完成作出贡献的人致以我诚挚的 感谢! 首先感谢尊敬的导师尤显卿教授。在本课题的选题及研究过程中，我得到 了尤老师悉心的指导。尤老师帮我选择课题，在实验的进行过程中，尤老师多 次询问研究进程，并耐心细致地为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点 拨、热忱鼓励。尤老师一丝不苟的工作作风，严谨求实的治学态度，踏踏实实 的专业精神，给我留下了深刻的印象! 尤教授不仅授业、解惑，而且注重传道， 他给我们讲授的许多做人做事的道理，是一笔宝贵的财富，让我终生受益。对 尤老师的感激之情是无法用言语表达的。 其次在实验的进行过程中，我还得到材料学院实验中心的郑玉春老师、程 娟文老师、汪冬梅老师给予的大力支持和细心指导。他们不仅为我做实验提供 了便利，而且帮助我分析实验结果，在此一并表示衷心的感谢! 还要感谢师弟钟成山、田四光、叶劲、刘宝! 他们在实验过程中给予了许 多无私的帮助。 最后，感谢亲爱的家人对我学业上不遗余力的支持! 第一章绪论 1 1 引言 模具是各工业部门的重要工艺装备。它的使用性能，特别是使用寿命反映 了一个国家的工业水平，并直接影响到产品的更新换代和在国际市场上的竞争 能力【“。因此，各国都非常重视模具工业的发展和模具寿命的提高工作。而模 具材料与热处理是影响模具寿命诸因素中的主要因素。因此，目前世界各国都 在不断地开发模具新材料，改进强韧化热处理新工艺和表面强化新技术。模具 热处理对使用寿命影响很大，我们经常接触到的模具损坏多半是热处理不当而 引起。据统计，模具由于热处理不当，而造成模具失效的占总失效率的5 0 以 上。所以，国外模具的热处理，愈来愈多地使用真空炉、半真空炉和无氧化保 护气氛炉。模具热处理工艺包括基体强韧化和表面强化处理。基体强韧化在于 提高基体的强度和韧性，减少断裂和变形，故它的常规热处理必须严格按工艺 进行。表面强化的主要目的是提高模具表面的耐磨性、耐蚀性和润滑性能。表 面强化处理方法很多，主要有表面化学热处理技术、涂镀技术、喷丸表面强化、 电火花表面强化、激光表面强化、气相沉积技术等。化学热处理技术主要包括 渗碳、渗氮、渗硫，渗硼、氮碳共渗、渗金属等。采用不同的表面强化处理工 艺，可使模具使用寿命提高几倍甚至于几十倍 i - 9 】。 制砖机是建筑行业常用的机械设备，其模具上的模板是制砖机的主要部件 之一。模板性能的好坏、寿命的高低，直接影响到产品的质量和经济效益。而 模板表面性能的优劣又直接影响模板的使用寿命。制砖机上的模扳工作条件十 分恶劣。其侧面既要受到硬颗粒的强烈刮削，又受到硬颗粒的压入，且要承受 反复的冲击。其正常的失效形式主要是磨损、脆断、变形、咬合等。模板的失 效和破坏，往往发生在表面或由表面开始。因此，对模具材料使用性能的基本 要求是：表层具有高的硬度、耐磨性，心部具有高的强度、足够的韧性、良好 的抗咬合能力和抗疲劳性能。 对制砖机模板进行表面强硬化处理的目的是进一步提高其所固有的性能， 这些性能主要是表面的耐磨性、抗咬合性、抗冲击性、抗热粘附性、抗冷热疲 劳性及抗腐蚀性。在众多的表面强化方法中，经分析比较，本课题选用了微粉 硼碳共渗表面强化处理。微粉硼碳共渗可以使模具表面获得很高的硬度，因而 能显著提高模具的表面硬度、耐磨性和耐蚀能力，是一种提高模具使用寿命的 有效方法【5 】。 1 2 现代模具的特点 现代模具的特点川，一是量大面广，品种繁多，如7 0 以上的汽车、拖拉 机和机电产品零件，8 0 9 0 的塑料制品、6 0 7 0 的日用小五金及一些 消费品都由模具生产：二是作为批量生产，模具在提高经济效益方面起着关键 性的作用；三是模具生产影响到产品的开发、更新换代和发展速度，因为人们 对工业品的品种、数量、质量要求越来越商，为适应产品更新，必须转向多品 种小批量生产，这就需要快速、经济地制模：四是模具的成本占产品成本的2 0 左右，其使用寿命影响到产品的成本；五是模具向大型化、复杂化、精密化、 自动化发展。由于上述特点，导致模具用量与日俱增，对其要求越来越苛刻。 为了降低生产成本，增加效益，保证高质量，在采用先进设备和制造工艺的同 时，必须在提高模具寿命方面不断地作出努力。这就要求合理选用模具材料， 合理实施热处理和表面强化工艺；大力推广应用新材料、新工艺、新技术。 1 3 模具表面强化技术的种类及发展概况 3 1 改变表面化学成分的强化方法 渗碳法【i j 是为了增加钢件表层的含碳量，将钢件在渗碳介质中加热并保温。 使碳原子渗入表层的化学热处理方法。碳原子渗入模具工件表面使模具工件表 面的硬度、抗疲劳强度及耐磨性提高。渗碳后的模具工件表面将获得共析或过 共析成分的碳，再经一定的热处理后可得到马氏体+ 碳化物组织。碳层深度一般 为0 5 2 5 r a m 。 渗氮法是在一定温度下将活性氮原子渗入模具工件表层的化学热处理方 法。渗氮后的工件变形小。与渗碳法相比，渗氮法具有硬度、抗疲劳强度、耐 磨性和抗蚀性高的特点，渗氮层硬度可高达1 0 0 0 1 2 0 0 h v 。通常渗氮是在氨气 分解气中进行的，氨气分解可以产生大量活性氦原子。 渗硼法【1 0 - l2 j 是将金属材料放在含硼的介质中，经过加热与保温，使硼元素 渗入其表层，形成硼化物的工艺过程。渗硼分固体渗硼和液体渗硼。固体渗硼 不需要专用的设备，操作方便。但固体渗硼的劳动强度大、工作条件差及成本 高。液体渗硼的特点是设备简单、用盐资源丰富、成本低及无公害。在模具渗 硼处理中，广泛使用盐浴液体渗硼。经渗硼处理后得到的硼化物，一般由 f e b + f e 。b 双相或f e 。b 单相组织组成，硼化层具有硬度高、高温抗氧化性好、红 硬性高及耐腐蚀好、耐磨性高的特点，但其脆性大，渗硼深度一般为0 0 3 0 1 0 m m 。 多元共渗法【l l 将工件表层渗入多于一种元素的热处理工艺称为多元共渗 法。钢的化学热处理不仅可以渗碳、氮、硼等非金属元素，还可以渗铬、铝、 锌等金属元素。当钢件的表面渗入金属元素后，钢的表面形成所渗入金属的合 金层，从而可提高抗氧化及抗腐蚀等性能。当渗入单一元素而不能满足模具寿 命的要求时，可考虑多元共渗的方法。多元共渗法对提高模具寿命具有显著的 效果。 离子注入法1 1 3 - 1 5 是利用小型的低能离子加速器，先将需注入元素的原子在 加速器的离子源中电离成离子，然后通过离子加速器的高压电场将其加速成为 高速离子流，再经磁分析器提纯后，离子束强行打入置于靶室中的模具工件表 面，引起模具工件表面注入层中的微观结构和宏观性能的变化。整个注入系统 2 处于1 3 3 1 0 刁p a 的真空中，以保证离子束在规定的路线前进时不与其它元素 的原子发生碰撞。高能离子束穿透模具工件基体表面后与表面内的原子发生碰 撞，在多次交联碰撞、激发电子和离子的过程中，注入的离子失去了原有的能 量，最后静止在模具工件基体表面内。在这个过程中将引起模具工件基体表面 晶格缺陷或基体表面点阵原子的化学结合，使基体表面发生物理、化学及力学 性能的变化，从而有效地提高模具工件表面的硬度、抗疲劳强度及耐磨性、耐 腐蚀性等性能。离子注入的深度较浅，约为1 0 1 0 0 个原子层，但对基体影响 的深度可达i m m 。 1 3 2 不改变表面化学成分的强化方法 火焰表面淬火工艺【1 6 l 是利用可燃气体与氧气混合燃烧的火焰所产生的高 温，将工件表面加热到淬火温度，随后用水和其它冷却介质急速进行冷却的工 艺过程。通过表面淬火处理的工件，其表面具有很高的硬度和耐磨性。这样， 提高了工件的力学性能。火焰表面淬火的优点是模具韧性好、加工工序少、热 处理费用低及模具容易焊接修补。火焰表面淬火的缺点是：( 1 ) 由于火焰表面淬 火是手工操作，需目测加工钢材的颜色来确定钢材的温度，因此要求操作者的 技术熟练；( 2 ) 火焰表面淬火工艺的前提条件是选用合适的模具材料，所选用的 材料经火焰表面淬火后要满足模具的力学性能，并保证使用寿命。对结构复杂、 寿命要求很高的模具不适宜采用火焰表面淬火工艺。 激光表面强化【1 7 - 2 3 】是指一定功率密度的激光束，以一定的扫描速度照射待 处理的模具工件的表面，在很短的时间内使被处理表面由于吸收激光的能量而 产生高温，当激光束移开时，被处理表面通过自身向基体传导的散热方式而迅 速冷却，从而形成表面强化层，以提高模具的寿命。当激光照射金属表面时， 在瞬间( 1 0 5 1 0 6 s ) 即可把金属表面层加热到很高的温度，使其发生相变或 熔化。由于加热时间极短，致使工件表面熔化层或相变层厚度很薄，而基体材 料的受热温度又特别低，所以金属表面层的冷却速率很高( 约1 0 6 s ) ，约为 一般淬火冷却速率的1 0 0 0 倍。激光强化处理包括激光相变硬化、激光熔化凝 固处理( 熔凝处理) 及激光表面合金化。激光表面强化处理可以明显地提高模具 工件的耐磨性和抗疲劳强度，从而延长模具寿命。由于加热面积小、时间短， 因此工件形变很小。 表面喷丸强化【2 4 】的机理是将大量高速运动的弹丸喷射到模具表面，使表面 产生极为强烈的塑性变形。这种形变使模具表面产生了一个应力状态及组织结 构与基体完全不同的加工硬化层和残余压应力层。由于在压力层上有相当高的 表面压应力，能够推迟疲劳破坏，即使在很高的外部应力作用下，也不会产生 表面失效。所以，强化层能够显著地提高模具在室温及高温工作环境下的抗疲 劳强度，达到提高模具寿命的目的。模具在使用过程中，经常因表面抗疲劳强 度降低而损坏。造成模具表面疲劳的原因有原始缺陷、应力疲劳及疲劳磨损等。 研究证明，9 9 9 的疲劳发生在工件表面。对模具表面进行喷丸处理，能够大幅 度提高模具表面的抗疲劳强度。 1 3 3 被覆法 被覆法包括电镀法、化学气相沉积c v d 法、物理气相沉积p v d 法、等离子 体化学气相沉积( p c v d ) 法、碳化物镀覆法“d ) 、放电表面处理( e d c ) 等。 电镀法【2 5 。28 】是使用电化学的方法，在金属或非金属制品表面沉积金属或合 金层，该法可以镀各种金属镀层。在进行电镀时，将被镀的模具工件与直流电 流的负极相连作为镀槽的阴极，要镀覆的金属( 镀铬除外) 与直流电源的正极相 连作为镀槽的阳极，镀槽中含有欲镀覆金属离子的溶液及添加剂。当接通电源 时，在镀槽阴极上析出欲镀的金属层。电刷镀技术是在电镀技术的基础上发展 起来的，被镀工件不需放入镀槽中，只需表面与包裹棉套的阳极接触，以形成 局部“槽”，并有相对运动，因此阳极的面积通常小于被镀工件的表面。此外， 化学镀镍一磷合金是将模具工件放入配制好的溶液中加热，使模具工件表面镀覆 一层n i - p 合金层。该合金层具有较高的硬度、耐磨性及低的摩擦因数。 化学气相沉积c v d 法【2 弘1 是利用气态物质在固体表面上进行反应，生成固 态沉积物的过程，是在高温下利用热能进行热分解和热化合的沉积技术。c v d 法是把一种或几种含有构成薄膜元素的化合物、单质气体通入置有工件的反应 室中，借助气相在工件表面上沉积或发生化学反应生成薄膜。该法可以制备各 种单质、化合物及不同组分多层薄膜或一些结构不同的薄膜。通过选择不同的 气体组成及控制相应的温度、浓度、压力等参数，制备出不同性能的薄膜。c v d 法能够在模具表面沉积t i n 、t i c 、t i c n 、a 1 ：0 。等硬质膜，提高了模具的耐磨和 耐蚀性。该法与其他沉积方法相比，具有设备简单、操作维护方便；通过改变 原料气及工艺参数可制备性能各异的沉积层；可涂覆有各种复杂形状的槽、沟、 孔或盲孔的工件；涂层与基体间结合力强等特点。主要缺点是反应温度较高， 沉积速率较低( 一般每小时只有几微米到几百微米) ，局部沉积困难，参加沉积 反应的气源和反应后的余气都有一定的毒性等。c v d 法适合硬质合金，不适合 高速钢。 物理气相沉积p v d 法【弛】是在工具钢( 高速钢、模具钢) 的回火温度下，在金 属表面沉积一层硬质膜的方法。该法由真空蒸镀、离子镀及溅射镀三种基本方 法组成。p v d 法与c v d 法所形成涂层的成分相差不大。p v d 法镀膜所需温度较低， 工件形变不大，但其形成的涂层比c v d 法薄，且与基体粘着牢固度低。p v d 镀 膜技术在国内外刀具产品制造业中已得到广泛的应用，在模具工件表面强化方 面的应用也越来越普遍。p v d 法突出的特点是镀膜温度低，约5 0 0 ，而且温度 还可以进一步降低。虽然镀膜厚度较薄，但能有效地提高模具寿命。其缺点是 设备复杂、价格高。国内已有一些厂家采用p v d 法强化模具工件表面，使模具 寿命得以提高。如y g 2 0 硬质合金的录音机磁头外壳拉伸模经p v d 法涂覆t i n 4 层后，其寿命从原来的1 3 万次提高到4 5 万次以上，是原来的3 倍多；c r l 2 m o v 的油开关精冲模具工件，经常规热处理和p v d 处理后，其寿命从原来的1 3 万次提高到1 0 万次以上，模具寿命提高了3 倍以上。 等离子体化学气相沉积( p c v d ) 法【3 3 4 4 l 是将低气压气体放电的等离子体应 用于化学气相沉积中的一项新技术。该法具有c v d 法的良好绕镀性和p v d 法低 温沉积的特点，更适于模具工件的表面强化。p c v d 仍然采用c v d 所用的气源， 如沉积氮化钛，仍然采用t i c l 4 、h 2 、n 2 ，其激发等离子体的方法有直流辉光、 射频辉光及微波场。p c v d 法应用在塑料制品的模具上，可使模具寿命提高1 4 倍。 碳化物镀覆法( t d ) 【”刁”是由日本丰田中央研究所发明的，是用熔盐浸镀 法、电解法及粉末法进行扩散表面硬化处理的总称。在实际应用中广泛采用熔 盐浸镀法，它可在工件表面形成钒碳化物( v c ) 、铌碳化物( n b c ) 及铬碳化物等超 硬涂层。t d 法( 外热式硼砂盐浴渗金属技术) 应用于模具表面强化方面效果显 著。x 射线衍射结果表明，经t d 法处理获得的渗镀层几乎全由纯碳化物相组成， 不受基体中金属元素的影响。渗镀层的硬度明显高于基体的淬火硬度及镀c r 或渗n 层的硬度，如v c 和t i c 镀层的硬度为2 9 0 0 3 8 0 0 h v ，n b c 镀层为2 4 0 0 h v ， 在8 0 0 c 时，镀层硬度仍可达8 0 0 h v ；其耐磨性比渗n 、渗b 及镀c r 等高；具 有良好的抗热粘结性和很强的抗剥落性，t d 法的强化效果与c v d 、p c v d 等方法 相近。但t d 法设备简单，操作方便，成本低廉，是一种很有前途的表面强化技 术。主要缺点是熔盐粘度大、流动性差、工件粘盐多，清洗残盐困难及增加腐 蚀严重，熟效率较低等。t d 法在我国模具制造业中的应用还不普遍。1 0 多年 前，日本在冲压模具领域中就普遍采用了电镀、c v d 和t d 处理法，收益很大， 但在冷镦模方面普及t d 和c v d 法要晚2 3 年。目前，日本在冷镦凸模、六角 形切边凸模、螺钉冷镦模和挤压模等方面已经应用了t d 及c v d 处理法。然而， 热锻模还是以氮化和镀铬为主，少部分采用t d 处理。采用t d 法可使冷镦模具 寿命提高数倍或数十倍。 放电表面处理( e d c ) 口”42 j 是以放电加工技术为基础，利用脉冲放电的热作 用，使部分电极材料产生移动并堆积( 沉积) 到所处理工件的表面上，形成硬质 覆盖膜的技术。e d c 处理法的电极结构为复合结构体，可有效地控制电极消耗， 其电极消耗率为一般放电加工的几百倍以上。c v d 及p v d 法需要预处理工序， 目的是使处理表面活性化，这对表面特性有较大的影响，且对环境有污染。而 e d c 处理法不需要预处理，处理温度接近常温。可实现局部处理。对于涂覆处 理精密冲压金属模及汽车的大型工件等，可大幅度降低成本。对于菜些不能用 c v d 和p v d 法处理及为了降低成本而采用e d c 法处理的工件，其使用寿命延长， 提高了综合效益。如采用e d c 法对材质为粉末高速钢( s k h 5 1 ) 的转塔式冲头、冲 头的侧面和底面进行处理后，进行冲裁试验，冲裁的材料为1 2 m m 厚的钢板。 结果表明，未经e d c 法处理的冲头平均冲裁次数为1 5 0 0 0 2 0 0 0 0 次，而经e d c 法处理过的冲头平均冲裁次数为8 5 0 0 0 次，寿命是未处理的4 倍。 1 4 表面强化技术的发展方向 传统的表面淬火、渗碳淬火、渗硼、氮化等表面强化技术是模具热处理的 重要组成部分。近年来，由于多学科的交叉渗透，为模具材料的表面强化技术 注入了极大的活力，不仅传统表面热处理技术得到进一步深度开发，而且许多 新的表面淬火、物理化学改性处理、表面覆膜处理、表面冶金技术相继开发成 功并得到广泛应用。例如：脉冲电流感应加热的出现使感应加热表面淬火技术得 到进一步完善；化学热处理采用气体法，已大大改善了劳动条件和劳动强度， 同时由于采用了先进的测控手段，实现了渗层及渗入元素的定量控制，并使化 学热处理向着完全无公害方向发展成为可能；真空化学热处理和离子轰击化学 热处理有效地缩短了化学热处理的生产周期，极大地降低了生产成本；激光、 电子束用于表面加热后，使表面强化技术已突破传统热处理的范畴；模具表面 的覆膜、沉积技术及离子注入技术更使模具表面强化技术成为材料科学和材料 处理技术最活跃的领域。总之，现代科学技术的发展和应用，使模具的表面强 化技术逐渐形成了一个比较完整的技术体系和相对独立韵科研、应用领域 3 8 4 们。 1 5 制砖机的使用状况及易磨损 牛 目前，国民经济飞速发展，建筑行业也不例外。建筑行业的发展也带动了 其他相关行业的发展，特别是制砖行业。这就对制砖厂提出了更高的要求，不 仅需要提高生产率，保证产量，而且还要保证产品的质量。要达到这个目的， 对制砖设备要求具有很好的使用性能。制砖机上的模板是其重要部件，由于产 量增加和制砖材料颗粒大、硬度高，导致模板的磨损加剧。因此，对制砖机模 板的表面强硬化处理提高其耐磨性是十分必要的，而且具有重要的社会意义。 如图1 1 所示是常见的两种制砖设备1 4 3 。4 4 1 ，图1 1 a 、b 为盲孔压砖机，图 1 1 c 为紧凑型挤砖机。 6 图1 1 制砖设备 f i g 1 1 b r i c km o u l d i n gm a c h i n e s 盲孔压砖机在工作中由电动机通过强力窄v 带带动减速器的带轮和低速轴 运转，通过减速器的减速将要求的转速和扭矩通过连杆带动主机平台作上、下 往复运动，从而压制出具有一定压力和含水率的盲孔砖。紧凑型挤砖机则是通 过减速器，带动转动相反的两根搅拌轴( 轴上装有螺旋形搅拌叶) 运转，完成 对原料的搅拌、捏合、输送。 两种制砖机大多在野外的简易厂房内或露天工作，设备须移动方便。工作 对象是粉煤灰、煤矸石或页岩，原料受前期处理( 粉碎、搅拌) 的影响，制砖 机要经常受到冲击载荷甚至超载的影响。减速器在降低转速、增大转矩的同时， 还兼有设备支承，主机基础( 盲孔压砖机) 的作用。 利用劣质粘土、工业废渣、江河淤泥等非耕种粘土，采用挤压成型、窑炉 烧制工艺生产传统的粘土砖、轻质高强隔热砖( 如空心砖或多孔砖) 、装饰清水 墙砖，达到保护耕地、改善环境、满足日益发展的建筑业对烧结粘土砖的需求， 使人民得以安居乐业，已成为我国粘土砖发展的基本趋势。上述非耕种粘土往 往或是杂质多，或是硬度高，或是粘性高，或是塑性过低等等，情况复杂多变， 多种因素并存。要用其生产现代粘土砖，设备的工艺性能、运转率、维修费用， 直接关系到企业的经济效益，尤其是制砖机械上的磨损件。因此，生产企业应 首先考虑如何将制砖机械中磨损件的耐磨性能进一步提高。目前，我国砖瓦工 业中普遍采用的原料破碎设备为辊式破碎机( 也称对辊机) 。物料在两个相对高 速旋转的辊筒( 或称辊圈) 之间被挤压、剪切、搓碾成尺寸为2 m m 以下的细 小颗粒；成型设备为螺旋挤压机，物料由螺旋绞刀向前推进，同时受到压缩机 头、机口( 含空心砖芯架) 的阻力，被挤压成型。这两种设备中，辊圈、绞刀 和模具上的模板无疑是主要的磨损件。 影响磨损件耐磨性能的一个重要因素是物料的易碎性。物料的易碎性即物 料粉碎的难易程度。当然它与物料的强度、硬度、脆性、密度、耐磨性、结构 的均匀性、含水量、粘性、裂痕、表面情况、形状等十几种因素有关。一是物 料的硬度即物料对磨耗的抵抗性，通常作为耐磨性的指标，以莫氏硬度等级划 分。依次顺序为滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、 刚玉、金刚石，金刚石最硬为1 0 级；二是物料的磨损性即物料对粉碎工具的磨 损。判别物料磨损性大小的简单方法是根据物料中石英的含量来确定。根据这 些规律，我们来看磨损机理，当粉碎工具的材料硬度比物料的硬度低时，粉碎 工具被急剧磨损；当粉碎工具的材料硬度接近或超过物料硬度0 8 倍时，粉碎 工具的耐磨性能迅速提高。一般在生产中，金属辊圈的表面硬度达到h r c 5 0 以 上时，就能表现出良好的耐磨性能；但当物科硬度达到4 5 级时，材料的表面 硬度要求达到h r c 6 0 以上才能解决耐磨问题。由此看来，磨损件的表面硬度是 衡量其耐磨性能的重要技术指标之一。另外，从对辊机和挤压机的工作原理分 析，辊圈、绞刀和模具的模板不但要具有较高的表面硬度，还必须具有一定的 抗冲击韧性，否则由于材料硬度高而脆，会引起破裂，严重者甚至整辊炸裂， 危及人身安全。这就是磨损件既要表面硬度高，又要有相应的机械强度。 制砖机模具上的模板表面损伤失效的形式主要有磨粒磨损与粘着磨损。模 具在服役时，其工作表面周期性受到坯料的压力与摩擦力的反复作用，有的还 受到坯料或冷却润滑介质的侵蚀，因而会发生磨损、接触疲劳和腐蚀等表面损 伤。这些表面损伤会造成模具尺寸精度降低和表面粗糙度增加而影响其正常工 作，或成为模具破坏的裂纹源，促使模具发生失效。根据接触面上的负荷性质 和应力大小不同，磨粒磨损可以分为低应力与高应力磨粒磨损。前者是指摩擦 副之间的应力不超过磨粒的破坏强度。实验证明，在低应力磨损条件下，材料 的磨损量与接触压力成正比，与材料的硬度成反比。这要求模具钢具有较高的 强度与耐磨性，应提高钢中合金元素与碳的含量，并经过适当的热处理，使其 显微组织在高强度的基体上分布有更硬的碳化物、硼化物等相。高应力磨损多 发生在摩擦表面受高能量冲击载荷时，其应力很高，足以将磨粒打碎，并使材 料表面层发生小量塑性变形。多数模具的磨损类型介于低应力与高应力之间。 在这种情况下，为了提高材料耐磨性，不仅要求有高的硬度，还要有较好的韧 性。尤其当硬度超4 0 h r c 时。只有提高材料韧性才能进一步提高其耐磨性。在 提高基体强韧性的同时，对其表面进行强化处理，如渗硼强化，能显著提高其 耐磨性。至于粘着磨损，其磨损量较大，且受外界影响也大，为了减少模具的 粘着磨损，应选用不易与坯料粘着的模具材料，同时采用适当的热处理工艺， 以提高材料的压缩屈服点，减少与坯料原予间的结合力。渗磁、磷化等表面处 理能使模具表面形成牢固化合物层或非金属层，以避免金属原子间直接接触， 且使摩擦系数降低，可防止粘着。这对于在高温下工作的模具和不可能充分润 滑的模具很有意义。渗碳、渗硼及共渗等化学热处理工艺既能提高表面硬度， 又能降低与坯料金属间的结合力，对减轻粘着磨损也很有效。 1 6 微粉硼碳共渗表面强化处理的方法、特点及应用 1 6 ，1 微粉硼碳共渗表面强化处理的方法、特点 经过分析比较，本课题选用了微粉硼碳共渗表面强化处理。模具经共渗后， 表面层获得由单相或双相构成的硼化物层，使材料硼碳共渗以后具有以下特性： 高的硬度、耐磨性与热硬性，以及良好的高温抗氧化性能与抗腐蚀性能。硼碳 共渗工艺方法可分为固体法、液体法、气体法、离子法等 4 5 - 4 9 j 。 固体法是把工件放入固体渗剂中或用固体渗剂包裹工件，并加热到一定温 度，保温一段时间，实现工件表面硼碳共渗的工艺过程。固体法硼碳共渗的渗 剂配制容易，渗后表面无渗剂残留：所需的设备简单，且不需专用设备：适用 于各种形状的工件，并能实现局部共渗。根据渗剂的特点，固体硼碳共渗可分 为粉末法、粒状法、膏荆法等。粉末法是将粉末渗剂和工件同时装入耐热( 或 普通碳钢制) 的箱体中，将工件埋入粉末中并加盖密封，然后进行加热、保温 的硼碳共渗方法。该法具有工艺简便的特点。粒状法是将粉末渗剂与粘结剂按 适当的比例调合并压成粒状，干燥后使用，这种方法既适合小批量生产，以能 满足规模生产的要求。膏剂法是将粉末渗剂与粘结剂按适当的比例调成膏体， 然后涂在工件表面，干燥后加热扩散形成渗层。 液体硼碳共渗是将工件浸渍在熔融液体中，使其表面获得共渗层的工艺方 法。液体共渗法具有设备简单、操作方便、渗层组织容易控制、渗层致密和缺 陷少等优点，应用较多。主要缺点是：处理的工件带走较多熔盐，而且这些熔 盐难以从形状复杂的工件上清洗掉。 气体硼碳共渗是把工件置于含硼气体介质中通过加热实现共渗。含硼气体 有乙硼烷、三氯化硼、烷基硼化物、烷基硼化物、三溴化硼等。由于这些气体 都有剧毒或易爆，气体硼碳共渗工艺过程和设备要求与气体渗氮相似：工件必 须放在密封良好的容器中，加热到共渗温度后通入含硼气体，保温一段时间， 停止含硼气体供给，并通入惰性气体5 l o m i n 后，取出淬火或降温到2 0 0 c 以 下取出。这种方法工件渗层厚度均匀、易控制，容易实现机械化生产，但设备 一次性投资较大。 1 6 2 微粉硼碳共渗表面强化处理的应用 硼碳共渗技术属于表面工程的研究范畴。根据共渗技术的主要特点，其主 要应用于以下三个方面：( 1 ) 提高材料的耐腐蚀能力，延长制品的使用寿命。 共渗层具有很强的抗酸碱盐腐蚀的能力，其组织越致密、空洞越少，其耐蚀性 9 也就越强。如果致密的f e 。b 层连成一体、无断带，则渗层不仅具有抗均匀磨损 的能力，而且具有抗晶间腐蚀与剥蚀的能力。此外，渗层还具有优良的抗高温 氧化( 共渗层在8 0 0 c 时，f e b 、f e 。b 受氧化程度甚微) 与抗热腐蚀以及延缓腐 蚀疲劳、抗应力腐蚀等性能。( 2 ) 提高耐磨减摩作用，通常硬化特性与润滑特 性是不能两全的，而共渗层除了具有高硬度外，还具有较低的摩擦系数，较好 的减摩、润滑作用以及耐疲劳磨损、磨粒磨损和粘着磨损、防粘结、抗咬合等 性能，这使其处理的耐磨表面独具特色。( 3 ) 赋予表面物理、化学特性，提高 表面完整性( 共渗层具有很好的致密度、清洁度与粗糙度) ，减少材料疲劳，以 适应制造技术的各种需要。如共渗层具有很