（材料加工工程专业论文）轴承钢td渗金属及其最终热处理的工艺优化问题研究.pdf

摘要 本文研究对象是用g c r l 5 钢制造的冷作模具。冷作模具的失效形式主要是 表面磨损。要显著提高模具使用寿命，最适用的方法之一就是用t d 法对模具表 面进行渗钒处理，同时对模具基体淬火，使其达到较高硬度，以支撑其表面v c 覆层。由于t d 渗钒处理是一种扩散过程，需要在较高的温度( 9 6 0 左右) 条 件下才能得到经济实用的v c 覆层，而g c r l 5 钢的淬火加热温度仅为 8 1 0 一8 5 0 。由于t d 渗钒温度与淬火加热温度间的较大差别，以及模具表面 v c 覆层在4 0 0 以上很容易被氧化，导致g c r l 5 钢的表面渗钒处理工艺与基体 淬火强化工艺很难协调一致。常用的先t d 渗钒处理再加热淬火的方法由于v c 覆层在淬火加热和冷却时很快被破坏，所以在缺乏真空淬火炉的条件下很难取 得实际效果。 本文针对上述问题进行研究。研究目标是，在缺乏真空淬火炉的情况下， 优化整合g c r l 5 钢制冷作模具的t d 渗钒处理工艺与基体淬火工艺，取得经济 实用及显著提高模具使用寿命的效果。 本文的研究内容主要有：1 ) g c r l 5 钢的t d 渗钒处理；2 ) g c r l 5 钢的淬火 工艺；3 ) g c r l 5 钢t d 渗钒处理工艺与淬火工艺的优化整合；4 ) g c r l 5 钢的 t d 渗铬工艺。 本文研究结论为：1 ) 9 6 0 t d 渗钒后油淬虽然可以满足扩口模和滚网模的 使用要求，但是得到的基体晶粒较大，脆性大；2 ) 9 6 0 t d 渗钒后随炉冷却至 8 3 0 ，然后在1 0 0 沸水中淬硬，及时回火，能够得到比较厚的覆层，基体硬 度达h r c 5 7 以上，晶粒也得到细化，具备较高的工业应用价值；3 ) 使用t d 渗 铬工艺也可以使模具表面硬度、耐磨性大大提高，也可以应用于g c r l 5 钢制冷 作模具的表面强化。 本文研究成果己得到工业应用，对淬火加热温度在8 0 0 8 5 0 的冷作模具 钢的表面渗钒及基体淬硬工艺具有普遍意义。 关键词：g c r l 5 ，t d 处理，渗钒，热处理，工艺优化 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho b j e c to ft h i ss t u d yi st h ec o l dm o l d sm a d eo fg c r l5s t e e l t h e m a i nf a i l u r ef o r mo fc o l dm o l d si ss u r f a c ew e a r t os i g n i f i c a n t l yi m p r o v ed i el i f e ，o n e o ft h em o s ta p p r o p r i a t ew a y si st ov a n a d i z i n gm o l ds u r f a c eu s et dm e t h o d ，w h i l e q u e n c ht h em a t r i xt o a c h i e v eah i g h e rh a r d n e s s ，i no r d e rt os u p p o r tt h ev cs u r f a c e c o a t i n g a st h et dv a n a d i z i n gt r e a t m e n ti s ad i f f u s i o np r o c e s st h a tr e q u i r e sah i g h e l t e m p e r a t u r e ( a r o u n d9 6 0 ) t og e te c o n o m i c a la n dp r a c t i c a lv cc o a t i n g ，w h i l et h e h e a t i n gt e m p e r a t u r eo fq u e n c h i n gf o rg c r l 5s t e e li so n l y810 8 5 0 a st h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h et e m p e r a t u r eo ft dv a n a d i z i n ga n dq u e n c h i n gh e a t i n gi sv e r y l a r g e a n dt h ev cc o a t i n gc a ne a s i l yb eo x i d i z e da b o v e4 0 0 ，r e s u l t i n gi nt h et d v a n a d i z i n gp r o c e s so fg c r l5s t e e la n dt h es u b s t r a t eq u e n c h i n gp r o c e s si s d i f f i c u l tt o s t r e n g t h e nt h ec o h e r e n c e a st h ev cc o a t i n gc a ns o o nb ed e s t r o y e dd u r i n g t h eh e a t i n g a n dc o o l i n gi nt h eq u e n c h i n g ，t h ec o m m o np r o c e s so ft dv a n a d i z i n ga n dt h e n q u e n c h i n gm e t h o di sd i f f i c u l tt oa c h i e v ep r a c t i c a lr e s u l t sw i t h o u t v a c u u mq u e n c h i n g f u m a c e i nt h i sp a p e r , w es t u d yt h ea b o v ei s s u e s t h er e s e a r c hg o a li s ，i nt h ea b s e n c eo f v a c u u mq u e n c h i n gf u m a c ec a s e ，o p t i m i z ea n di n t e g r a t et h et dv a n a d i z i n gt r e a t m e n t p r o c e s sa n dt h es u b s t r a t eq u e n c h i n gp r o c e s so fc o l dw o r kd i em a d eo fg c r l 5s t e e l ， a c h i e v ee c o n o m i ca n dp r a c t i c a le f f e c t ，a n ds i g n i f i c a n t l yi n c r e a s et h em o l dl i f e t h i ss t u d ym a i n l ya r e ：1 ) t dv a n a d i z i n gp r o c e s s i n go fg c r l 5s t e e l ；2 ) q u e n c h i n gp r o c e s s e so fg c r l 5s t e e l ；3 ) o p t i m i z a t i o na n di n t e g r a t i o nb e t w e e nt d v a n a d i z i n gp r o c e s sa n dt h eq u e n c h i n gp r o c e s so fg c r l 5s t e e l ；4 1t dc h r o m i z i n g p r o c e s so fg c r l 5s t e e l t h i ss t u d yc o n c l u d e st h a t ：1 ) o i lq u e n c h i n ga f t e rt dv a n a d i z i n ga t9 6 0 。c c a n b a s i c a l l ym e e tt h er e q u i r e m e n to f t h es p h e r o n i z a t i o nd i ea n de x p a n s i o nd i e b u ti tw i l l g e tl a r g e rm a t r i xg r a i na n dm a k et h em a t r i xb r i t t l e ；2 ) c o o l e dt o 8 3 0 w i t ht h e f u m a c ea f t e rt dv a n a d i z i n ga t9 6 0 * c ，a n dt h e nh a r d e n e da t10 0 b o i l i n gw a t e r ， p r o m p t l yt e m p e r i n g , c a l lg e tt h i c kc o a t i n g ，a n dm a t r i xh a r d n e s sc a n r e a c hh r c 5 7 ，t h e m a t r i xg r a i nh a v ea l s ob e e nr e f i n e d ，a n dt h i sm e t h o dh a v eah i g hi n d u s t r i a lv a l u e 3 ) i i t h eu s eo fc h r o m i z i n gp r o c e s sa l s oa l l o w sm o l ds u r f a c eg e t t i n gm u c hh a r d e r , a n d g e t st h ew e a rr e s i s t a n c ei n c r e a s e d ，i tc a nb ea p p l i e dt o s u r f a c es t r e n g t h e n i n go f c o l d - w o r k i n gd i em a d eo fg c r l 5s t e e l t h i sr e s e a r c hf r u i th a sb e e na p p l i e dt oi n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s ，h a su n i v e r s a l s i g n i f i c a n c ef o rt h es u r f a c ev a n a d i z i n ga n dm a t r i xq u e n c hh a r d e n i n gp r o c e s so f c o l d - w o r k i n gd i es t e e l w h o s eq u e n c h i n gh e a t i n gt e m p e r a t u r ei s8 0 0 8 5 0 k e y w o r d s ：g c r l5 ，t dp r o c e s s ，v a n a d i z i n g ，h e a tt r e a t m e n t ，p r o c e s so p t i m i z a t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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 明并表示了谢意。 签名：整重辇日期：塑! ! ：1 2 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签鼽书舛靳( 签鼽勰日期砰j 2 7 武汉理：人学硕十学位论文 1 绪论 1 1t d 盐浴渗金属的发展概况 1 1 1 引言 随着科学技术的迅速发展，对某些零件的精度、硬度、表面质量的要求越 来越高。因此，相应地对模具也提出了高精度、高硬度、高耐磨性和高耐腐蚀 性的要求。在此条件下，模具表面强化技术应运而生。表面强化技术不仅能提 高模具表面耐磨性及其他性能，而且能使模具内部保持足够的强韧性，这对于 改善模具的综合性能，节约合金元素，大幅度降低成本，充分发挥材料的潜力， 以及更好地利用新材料，都是十分有效的。实践证明，表面强化处理是提高工 模具质量和延长其使用寿命的重要途径。经表面强化处理的模具，使用寿命成 倍提高，如3 c r 2 w 8 v 钢挤压模，按常规处理的平均寿命为每副模生产3 t 铝合金 型材，而经尿素气体氮碳共渗处理后可提高到每模6 t 以上【2 j 。最早的一些提高 成型模具和加工工具寿命的方法是硬质薄膜涂覆和热扩散工艺。硬质薄膜覆层 的成分为氮化物，碳化物和碳氮化物，厚度一般可达到3 l o “m 。他们一般被应 用到化学气相沉积( c v d ，c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) 和物理气相沉积( p v d ， p h y s i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) 上。但是化学气相沉积容易导致工件的严重变形，物理 气相沉积设备昂贵，成本太高，这都限南0 了二者的使用【3 j 。 化学热处理是将表面强化与热处理相结合的一项工艺技术，它属于表面改 性的一种。它是将金属或合金工件置于一定温度的活性介质保温，使一种或几 种元素渗入工件表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。活性介 质的作用是不断地、持久地提供渗入元素的活性原子( 即初生态、未结合成分 子的原子态原子) 。 利用化学热处理方法将金属( 如铬、钒、铌、钛等) 原子渗入工件表面的 工艺称为渗金属，其渗层称为渗金属层，也称为金属碳化物覆层。表1 1 是几种 武汉理i ：人学硕十学位论文 渗金属层与其他处理方法的性能对比，从表中可以看出渗金属层有着优异的耐 磨、耐蚀等性能。在渗金属工艺中，渗铬工艺常用于耐腐蚀、抗高温氧化、耐 磨损和需要提高疲劳强度的工件，适用于碳钢、合金钢、铸铁、铁基合金、镍 基合金、钴基合金、难熔会属等材料的表面改性处理。渗钛可提高钢铁的耐蚀 性、表面硬度和耐磨性，可提高铜基合金、铝基合金的表面硬度、耐磨性、热 稳定等性能。渗钒、铌工艺主要用于要求超高硬度、高耐磨性的工件。 表1 1 几种渗金属层与其它处理方法的性能对比 t a b 1 1t h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nb e t w e e ns e v e r a ls u r f a c ea l l o y i n gl a y e ra n dt h e o t h e rt r e a t m e n tm e t h o d s 渗会属技术之所以较多地应用与钢铁件，其主要原理是铬、钒、铌、钛与 碳的亲和力比铁强，能从铁中获得碳原子，并与碳原子形成金属碳化物渗层。 金属碳化物渗层的形成原理可作如下解释：铬、钒、铌、钛的原子直径较大， 渗入钢件中造成品格的畸变，表面能升高，但由于与碳的亲和力比铁强，与碳 形成碳化物，可使晶格畸变减少，表面能降低，使金属原子能不断“渗入”。 高温下碳原子较金属( 如铬、钒、铌、钛) 原子扩散更容易，而且钢铁表面有 碳化物形成后，也阻碍金属原子进一步渗入，所以在较低温度下渗金属，金属 碳化物渗层的增长是会属原子不断吸附于钢的表面，碳原子不断由罩向外扩散 的结果( 这也是金属碳化物渗层又称为金属碳化物覆层的原因) ；在较高温度下， 钢铁中晶格空隙较大，渗入的金属原子也较容易进入基体金属中，在渗入金属 武汉理l ：人学硕十学位论文 向内扩散和基体碳原子向外扩散的双向扩散作用下，渗层厚度比较低温度下渗 会属的渗层温度显著增加。 渗会属的方法很多，用固体法、液体法、气体法、离子法等都能进行。气 体法在前苏联等国家应用较多，而我国目前常用的是液体法和固体法。离子法 由于开发时间较短，在生产上应用较少。用固体法、液体法渗金属获得的渗层 表面粗糙度与处理前相差不大。由于渗层厚度只有5 1 5 i t m ，所以需处理的工件 在处理前必须加工到要求的表面粗糙度。与p v d 和c v d 方法相比，固体法、 液体法渗金属具有设备简单、操作方便、成本低等特点。 目前用得最多的渗金属方法是液体法渗金属。液体法渗金属的工艺特点是 渗金属在熔融盐浴中进行，也叫熔盐法渗金属【4 】o 熔盐法渗金属是通过悬浮在熔盐中的欲渗金属原子与被渗金属相互作用形 成渗层( 熔盐主要由金属或金属合会粉末、活化剂、熔盐等组成) ，或者渗剂中 反应还原出的会属原子在工件表面吸附、扩散渗入工件表面( 熔盐主要由金属 的化合物、还原剂、活化剂、熔盐等组成) 。由于加热保温时，热运动造成熔盐 的不断对流，使得工件各处表面都能保持有一定量的活性金属原子，所以熔盐 渗金属具有均匀性较好和渗金属速度较高的优点。熔盐渗金属一般在坩埚加热 炉中进行，这就限制了加热温度的提高，一般加热保温不大于9 8 0 。 1 1 2t d 渗金属的发展概况 纵观熔盐法渗金属的发展概况， 的中性盐渗金属，混合盐浴渗金属， 属等。 有最初的硼砂熔盐渗金属和随后发展起来 低温氯化物盐浴渗金属，内热式盐浴渗金 ( 1 ) 硼砂熔盐渗金属。硼砂熔盐渗金属是在高温下将钢铁材料放入硼砂熔 盐浴中保温一段时间后，可在材料表面形成几微米到数十微米的金属碳化物层 的工艺技术。这种方法就是由日本提出的采用熔盐浴在模具表面生成碳化物覆 层的t d 法( t o y o t ad i f f u s i o nc o a t i n gp r o c e s s ) ，也作t r d ( t h e r m o r e a c t i v e d e p o s i t i o n d i f f u s i o n ) 【5 j 。t d 法亦称液体渗会属法，它产生于同本的t o y o t a 中 心研究所，并在实验室取得了进展，于1 9 7 1 年开始应用于日本的各工业领域中。 t d 法是一种高温下( 1 0 7 3 1 4 7 3k ) 的表面改性工艺，在该处理中，通过金属 武汉理j ：人学硕十学位论文 表面的化学反应，生成会属( c r ，v ，t i 等) 的碳化物。t d 处理的主要成分是 硼砂和能产生欲渗金属元素的物质，即硼砂和金属或金属合会粉末( 其中金属 是与氧亲和力小于硼的物质，如铬、钒、铌、钛、锰等) 。由于金属或金属合会 粉末密度较大，易产生沉淀，造成熔盐上下成分不一，使工件上下部位的渗层 厚度不一致，影响使用性能，所以这种熔盐在处理工件前必须充分搅拌均匀。 硼砂、金属化合物和还原剂( 必须是与氧亲和力大于硼的物质，如铝粉等) 组 成的渗金属熔豁，由于渗剂各成分的密度都相差不大，在工作中熔盐的上下成 分基本一样，这种熔盐处理的工件的渗层较均匀。 该工艺可形成v c ，n b c ，c r 7 c 3 ，t i c 等碳化物，也可形成更加复杂的碳化 物覆层【6 】。而且，可通过改变盐浴试剂改变形成的碳化物类型。因此，对于大多 数金属成形模具材料，在模具表面上得到碳化物覆层的方法因其覆层的材料性 能和易于操作性而被广泛采用。经t d 处理形成的覆层仅由碳化物组成，它几乎 不降低基体的韧性，被覆碳化合物层的钢的表面呈现出碳化物固有的性能，如 较高的热硬性、耐热磨损性、抗热粘附性、高温抗氧化性和热韧性，并且内部 的强度与基体钢一致。 t d 法的优点是熔融硼砂能溶解金属氧化物，可使工件表面清洁和活化，有 利于金属原子的吸收和扩散；硼砂熔盐的密度和粘度大，金属渗剂容易悬浮， 是盐浴渗金属的最好载体，该法能使工件获得比其他熔盐渗金属更均匀的覆层。 t d 法的主要局限性在于工件基体必须含碳量在o 3 以上，否则生成的覆层将会 非常有雕引。 t d 法自发明以后，七十年代就在同本得到迅速发展，应用范围也很广泛【7 】。 因为t d 处理能惊人地提高热作模具材料的的热硬性、高温抗氧化性，它在同本 热作模具工业和世界上其它地方都得到了广泛的应用。 新井透等采用电解法进行硼砂盐浴渗钒。此方法是将脱水硼砂装入石墨坩 埚内，加热熔化后，再把钒铁合金条插入盐浴作阳极，坩埚作阴极，通电后使 钒铁条内的钒原子逐渐溶入硼砂浴中，再渗入工件表面。这种方法渗速较t d 法 快，但需较多的附加设备，以便精确控制盐浴成分和保持电流密度恒定，对工 艺条件要求十分严格，因此不利于推广应用。 虽然t d 法熔盐浴处理在国外己经经过了三十多年的发展与完善，己经形成 了较为成熟的工艺方法，在各工业国家都有很多这方面的专利，但在目前存在 武汉理：人学硕十学何论文 一些难点：如盐浴的老化及活化、处理温度高、工件的变形、盐浴炉用会属材 料及设备的严重腐蚀、残盐难清理等问题，从而使得这一技术还处于实验研究 阶段，未能得到广泛应用。 ( 2 ) 中性盐渗金属。中性盐渗金属是在中性盐浴中加入由余属、金属合金 粉末或者金属化合物和还原剂组成的渗剂，从而进行渗金属的工艺技术。西德 u l r i c hb a u d i s 研制的中性盐浴渗钒【8 】采m o o 一1 0 0 ) b a c l 2 加碱金属氯化物( 或碱 土金属氯化物) 或者两者的混合物为基盐，以( 1 3 ) 的钒( 或钒合会) 粉末为供钒 剂，钒粉要尽可能细( ( 1 5 0 目) ，并且必须借助机械方法进行搅拌，通入惰性气体 ( 如氮气，氨气等) 作保护。中性盐渗金属的盐浴流动性较好、工件的粘盐少、工 件上的残盐较易清洗，但盐浴挥发严重，渗剂容易沉淀，造成位于盐浴上下的 工件的渗层不均匀，目f j 尚未在生产中推广应用。 ( 3 ) 混合盐浴渗金属。为了改善中性盐浴的缺点，在中性盐中加入一定量 的硼砂，并用会属化合物和还原剂组成渗剂。混合盐浴就是将硼砂和中性盐按 一定比例混合起来的盐浴，通常以中性盐为主。硼砂的加入提高了盐浴的密度 和粘度，从而提高了盐浴承载渗剂的能力；降低了盐浴的含氧量，延缓了渗剂 老化时间。金属化合物和还原剂组成的渗剂，降低了渗剂密度，提高了渗剂在 盐浴中的均匀性。中性盐硼砂一会属化合物还原剂组成的渗会属盐浴，具 有良好的工艺性能和渗金属效果。 内田宪j 下【9 】将中性盐加到硼砂浴中研究了混合盐浴渗钒的工艺方法。此方法 盐浴流动性好，减轻了工件粘盐和坩埚腐蚀，但盐浴比重偏析大，渗钒层质量 不稳定，尚处于实验室研究阶段。1 9 8 8 年，山东工业大学司兆维【lo j 等人也研制 出了一种在硼砂熔剂中加入中性盐的混合盐浴配方( 9 2 0 ) w t v 2 0 5 + ( 3 8 ) w t ( s i c a r e ) + ( 2 5 ) w t a i + ( 1 3 ) w t s i c + ( 2 - 7 ) w t c a f 2 + ( 4 8 ) w t 硼砂，其余 为b a c l 2 ，取得了不错的效果，对t 1 0 钢在9 5 0 下处理4 小时，得到了1 0 1 a m 左右的覆层。 ( 4 ) 低温氯化物盐浴渗金属。1 9 7 4 年，同本的新井透】等人研究的低温氯 化物赫浴法是将工件先进行渗氮，再浸入5 5 0 7 0 0 低温氯化盐中处理，使工件 在表面得到钒的碳氮化合物。常用的配方有3 3 n a c l + 6 7 c a c l 2 + 钒( 或钒铁、 v c l 3 粉木，3 5 0 目) 。1 0 4 5 渗氮钢在含1 5 w t 钒铁粉术的盐浴中经7 0 0 8 h 处 理后，可得到1 0 9 m 厚的钒碳氮化合物层。渗层组织从外到罩依次为v ( c ，n ) 、 武汉理l j 大学硕十学何论文 v 2 ( c ，n ) 和铁钒碳氮化合物。 ( 5 ) 内热式中性盐浴渗金属。山东工业大学研究了用内热式电极盐浴渗钒 【1 2 】，所研制的渗钒盐浴对炉衬和电极浸蚀轻微，流动性好。t 1 2 钢经9 5 0 x 4 h 处理后，可获得1 6 9 m 厚的v c 渗层。 综上所述，t d 处理技术目前主要发展成以上五种形式。其中用硼砂盐浴进 行t d 处理尽管存在处理温度高，工件变形等缺点，但是由于工艺稳定，环保性 好，没有有害气体产生，仍然是现在t d 处理工厂所采用的主要方法。高温难免 会使工件产生变形，但是只要控制恰当，是可以减小这些变形的。实际上，这 些变形是很小的，在同本，将冲压模具进行t d 处理，它的直径变形只有2 - 3 p m ， 这完全可以满足大多数模具的处理要求。另外，t d 处理被覆的碳化物种类有 v c ，n b c 等，由于会属钒在全球矿藏资源较多，成本低廉，故一般在工件表 面覆上v c 覆层，尽管n b c 的硬度也相当高，但是n b 资源缺乏，价格昂贵， 一般不采用。 1 1 3t d 盐浴渗金属工艺在模具中的应用 由于金属碳化物渗层具有很高的硬度、优异的耐磨性、良好的抗咬合性和 耐蚀性，而且盐浴法具有操作方便、设备投资费用低，环境污染轻，被渗的零 件可重复处理等特点，因而越来越受到人们的重视，应用范围不断扩大。当然， 目前应用最多的还是硼砂盐浴法。 t d 法在日本已得到了广泛应用，据称自1 9 7 3 年以来所处理工件的种类和 数量几乎每年翻一番以上。现在己用在机械零件、压力加工模具、铸模、刀具、 粉木冶金模具以及塑料、化学纤维、橡胶等工业部门的工模具中( 如表1 2 所示) ， 可提高工模具寿命几倍乃至几十倍【1 3 】。此外，采用盐浴处理的某些钢制工具可 代替部分硬质合金，不仅使用性能好，而且加工性能好，不易损坏。 盐浴渗金属在我国也得到了发展和应用，取得了较好效果。但主要应用于 模具，很少应用于机械零件，没有得到大的推广应用。现在在国内，也很少有 模具厂家将盐浴渗金属大规模的引进生产过程中，提高模具的使用寿命。因此， 模具表面强化产业在国内发展才刚刚起步，与工业发达国家相比，还有很大的 差距。 武汉理1 ：人学硕十学位论文 表1 - 2 盐浴渗金属应用举例 t a b 1 - 2e x a m p l e sf o rs a l t - b a t ha l l o y i n ga p p l i c a t i o n s 领域应用举例 机械加工剪刀、冲头、弯曲模、压模、切边模、成型模 线材加工拉丝模、夹头、成型模、导向辊 管材加工压头、扩管冲头、型总骨、导向辊 冷锻 切边冲头、精压冲头、剪切、挤压、冲头、旋转锻模 热锻模锻模、切边冲头、挤压模 铸模离心铸造模、熔铸模、轴衬、铸口 粉末成型成型阴模、挤压模、铸口 橡胶、塑料成型成型模、挤压模、铸口 。， 计量辊，量规、导轨、气缸阀、泵柱塞、纤维机械、食 一 品机械、计算机零件、农具、印刷机械、电机等 盐浴渗金属在我国也得到了发展和应用，取得了较好效果。但主要应用于 模具，很少应用于机械零件，没有得到大的推广应用。周超梅【1 4 等研究了盐浴 渗钒在工模具上的应用。她采用硼砂为盐浴的渗钒方法，向工模具表面渗钒， 获得了碳化钒覆层，大大提高了工模具和机械零件的耐磨性、抗高温氧化和介 质腐蚀等性能。她认为，硼砂盐浴渗钒，盐浴比较稳定，盐浴渗钒设备简单， 操作方便，处理温度为9 0 0 1 0 0 0 ，无须保护气氛，需要淬火的零件可以结合 扩散处理直接进行；此外，钒碳化物层的硬度及耐磨性优于硼化层，经盐浴渗 钒的工模具或机械零件寿命可显著提高几倍到几十倍。李竹君【1 5 】等采用混合盐 浴对t 1 0 钢制造的首都东华机械厂无缝钢管冷拔内模进行8 6 0 x 6 h 渗钒处理， 出炉缓冷直接油淬，不仅工件出炉带出的盐液少，而且工件表面少许中性盐液 自动爆入油中，使工件表面清洁，便于清洗。6 0 件模具无一报废，经生产厂使 用表明，其使用寿命比普通热处理镀硬铬的提高了4 3 倍。用同样工艺为锦州钢 管厂处理了同类模具2 2 3 件，厂家使用证明，比镀硬铬的提高寿命4 5 倍。由 此可以预见，t d 盐浴渗钒技术将会在实际生产中得到更广泛的应用。 武汉理r 人学硕十学位论文 1 2t d 处理的理论研究 1 2 1 渗钒层的形成机理 渗钒层的形成一般经过分解、吸附、扩散三个基本过程【l6 | 。可以用图1 1 所示的模型来说明硼砂浴中钒的碳化物层的形成机理。 首先，盐浴中发生化学反应生成活性钒原子【1 7 】( 本文中，选取b 4 c 作为还 原剂) ： n a 2 8 4 0 7 = 2 n a b 0 4 + b 2 0 3 ( 1 - 1 ) b 2 0 3 + 3 8 4 c = 14 b + 3 c of ( 1 - 2 ) 3 v 2 0 5 + 1 0 b = 6 v + 5 8 2 0 3 ( 1 3 ) v 2 0 5 + 5 c o = 2 v + 5 c 0 2f ( 1 - 4 ) 吸附在钢件表面的活性钒原子与基体表面的碳原子发生反应，导致钒的碳 化物形核，钒与碳的相对扩散使其长大过程不断进行，致使渗钒层不断增厚【1 8 】。 这种通过扩散而形成新相的过程，称为反应扩散。 p 6 i 9 碳 纯 伤 鏖 o 金属钒( 或钒合会) 粉末 钒原子 o 碳原子 图1 1 硼砂盐浴中碳化钒的形成模型 f i g 1 - 1t h es h a p em o d e lo fv c i ns a l t b a t ho fb o r a x 在渗钒反应初期，由于活性钒原子在工件表面被吸附，最先融入奥氏体， 大大降低了碳在奥氏体中的同溶度，于是，多余的碳原子便从奥氏体中析出， 与其余吸附在工件表面的活性钒原子发生反应。由于碳、钒原子充足，相对扩 ? 矜，- 夕 钒钒眨 ，o 捡” o p r o p 。 o o 阱 o o 。 、璇 武汉理i ：人学硕十学位论文 散距离很短，该反应为表面反应所支配，扩散速度取决于化学反应速度；随着 碳化钒的不断生成，碳原子和钒原子消耗巨大，工件表层碳浓度不断下降，这 就在工件基体与表层之间形成了碳的化学位梯度，引起了碳原子从高化学位向 低化学位的不断扩散，使得表面的碳原子不断得到补充，碳化钒又得以继续形 核长大。最后，反应生成的碳化钒晶粒相互接触，形成连续而致密的一个薄层， 这时碳、钒原子的相对扩散就没有那么容易了，反应扩散的速度主要取决于原 子扩散的速度。 可以认为，这时候碳原子的扩散分为三个过程：一是碳由基体向过渡层扩 散，二是碳在过渡层中的扩散，三是碳通过过渡层扩散到表面。而钒原子的扩 散可以认为是它在金属表面被吸附后，以置换方式通过渗层，在基体与渗层结 合处与碳结合形成碳化钒或者溶入奥氏体，继续向心部扩散。二者比较而言， 钒原子是置换扩散，比较容易；碳原子是间隙扩散，比较困难。因此，钢铁材 料盐浴渗钒的渗钒速度主要取决于碳在碳化物渗层中的扩散速度【l 9 。 1 2 2 影响渗钒层厚度的因素 1 2 2 1 盐浴温度对渗钒厚度的影响 在很多热处理过程中，温度和时间对覆层厚度( 1 ) 可以用下式表示刚： ，2 t = k = k oe x p ( - q r t ) ( 1 5 ) 式中：l 一渗钒层的厚度( c m ) ； 卜处理时间( s ) ； l 卜覆层生长速度常数( e m 2 s ) ； l 妨一k 的常数项( c n l 2 s ) ； q 一活化能( 16 7 4 7 2 0 9 3 4k j m 0 1 ) ； i 卜气体常数( 8 3 1 4 2k j m o l k ) ： t - 一绝对温度( k ) 。 上式给出了覆层生长速率和盐浴温度之间的指数关系，但是没有定义覆层 生长速率和基体的种类之间的关系。一般认为，t d 处理的温度应与基体的最佳 淬火温度相一致。这样就可以在处理完成后直接进行淬火强化基体，如果基材 的淬火温度高于1 0 5 0 ，如高速钢等，这时就必须选择在低于基材淬火温度的 武汉理r 人学硕十学位论文 温度下进行t d 处理，而且处理完成后必须在真空或保护盐浴中进行后续热处 理，以强化基体。 1 2 2 2 处理时间对渗钒层厚度的影响 处理时问对渗钒层厚度的影响遵循下式【2 i 】： d 2 = k t ( 1 - 6 ) 式中：d - 渗钒层的厚度( c m ) ； 卜处理时间( s ) ； k - 渗钒层增长系数( c m 2 s ) 可见，渗钒层厚度与处理时间的平方根成线性关系。 1 2 2 3 钢的成分对渗钒层厚度的影响 钢中的含碳量是影响渗钒层厚度的主要因素之一。在相同处理条件下，渗 钒层厚度随基体含碳量的增加而增厚，近似成直线关系。温度越高，渗钒层厚 度增加越明显，如图1 2 所利2 2 1 。刘秀娟等通过对4 5 ，t 8 ，t i o ，t 1 2 碳素钢和 9 s i c r ，4 c r 5 m o s i v l 及c r l 2 m o v 等合金钢进行了v c 被覆处理，从热力学分析 的角度探索基体中不同合金元素对溶盐被覆碳化物厚度的影响规律。得出结论： 覆层的成长速度和覆层厚度随基体中固溶碳含量的增大而增大，而且强碳化物 形成元素降低覆层厚度，非碳化物形成元素增加覆层厚度2 3 1 。 呈 u 芭 蕾 雹 嗵 望 0 c 4 5 c i o o w z e 1 0 0 0 6 d l 0 5 w c r 6 ax 4 0 c l , m o v 51 x l s 翮：f m 0 y 1 2 口跚一5 一z 薹体岔穰量( 必 图1 2 基体含碳量又, i v c 层厚度的影响 f i g 1 2t h ei n f l u e n c eo fc a r b o nc o n t e n to fm a t r i xt ot h i c k n e s so fv cl a y e r 1 0 武汉理丁大学硕+ 学位论文 钢中合金元素对渗钒层厚度的影响有两种观点：一种是认为扩大仅相区的 元素对钒原子的扩散有利。因为钒原子在a f e 中的扩散速度比在y f e 中大； 另一种是认为中强或强碳化物形成元素有阻碍碳的扩散的作用，使渗钒层减薄， 而弱碳化物形成元素的阻碍作用小，对钒碳化物的形成有利2 5 1 。 1 2 3 稀土元素在盐浴渗钒中的作用 稀土元素渗入钢件表面可以提高钢件的耐磨性、耐蚀性等性能1 26 1 。在盐浴 稀土钒共渗中，稀土添加量为( 4 - - 6 ) 盐浴总量时，可提高渗速2 8 左右， 稀土渗入钢表层的含量为：l a 大约( o 4 0 5 ) w t ，c e 约( o 1 5 0 3 ) w t ，渗钒层 的碳浓度从1 2 提高到1 8 【2 7 2 8 】。 众所周知，在化学热处理中，稀土元素一般用作催化剂来增加覆层的反应 速度，比如渗碳、渗硼、渗铬等。按照同样的方法，人们也尝试着在渗钒过程 中加入稀土元素，发现对工件表面的渗钒反应有着明显的作用，能提高渗钒速 度大概3 0 到4 0 ，同时也能导致覆层更加密集。 刘秀娟等【2 9 】认为在t d 渗钒过程中加入稀土元素能够极大地增加渗钒层的 厚度，同时，稀土元素添加越多，覆层厚度越厚。但是当稀土质量分数超过5 时，覆层厚度开始减小。因此只有添加适量的稀土元素彳。能最大限度的提高t d 渗钒的效率：稀土元素添加太少，加速反应的效果很微弱，工件表面吸附的稀 土元素原子很少，导致工件表面吸附钒原子的能力变弱；稀土元素添加过量时， 大量的稀土元素原子会堆积在工件表面，形成“稀土元素堆积层”，会增加钒向 基体扩散的阻力，导致能够到达工件表面的钒原子的数量减少，渗钒效率降低。 稀土的催渗机制可归纳为以下两个方面：( 1 ) 稀土可加速渗剂的分解和吸 收。稀土氧化物和氯化物都是很好的催化剂，在渗剂分解过程中起加速其分解 的作用【3 0 】。( 2 ) 稀土渗入钢件表面可提高c 、n 、b 等原子的扩散速度。文献【3 l 】 认为，稀土扩渗于钢表面后，由于半径比铁大而使其周围铁原子晶格畸变，这 在高温下有利于c 、n 等间隙原子沿畸变区跃迁，使扩散速度加快。 武汉理1 ：人学硕+ 学位论文 1 3 轴承钢的研究概况 轴承是机械设备的基础件，随着工业技术的发展，对轴承不断地提出新的 要求。作为滚动轴承材料的高碳铬轴承钢g c r l 5 ，在本世纪初的1 9 0 1 年问世， 1 9 1 3 年美国最先纳入标准( 即相当于s a e 5 2 1 0 0 ) ，经过几十年的发展，形成了 完整的高碳铬轴承钢系列。由于它具有高的抗疲劳性能、高的延展性能、良好 的耐磨性，合适的弹性和韧性，有一定的防锈能力，以及良好的冷热加工性能， 热处理方法简单，合会元素含量不高，价格便宜等一系列优点，在国际上得到 广泛应用。高碳铬轴承钢在世界各国轴承钢总产量中占8 0 以上，在国际标准 i s o6 8 3 v xi i 1 9 7 6 中列入5 个钢号，工业发达国家，如美国、日本、德国等在 其相应标准中均列入3 5 个钢号。我国目前使用的轴承钢标准y j z 一8 4 、y b 9 6 8 中有5 个高碳铬轴承钢钢号。高碳铬钢制造的轴承最高使用温度可达2 0 4 ，实际使用温度在1 7 0 以下【3 引。 1 3 1g c r l 5 钢介绍 g c r l 5 钢是高碳铬轴承钢的代表钢种。它的综合性能良好，淬火和回火后具 有高而均匀的硬度，良好的耐磨性和高的接触疲劳寿命。该钢的热加工变形性 能好，球化退火后有良好的可切削性能，是世界各国广泛应用的钢种之一，也 是高碳铬轴承钢中产量最大的钢种。该钢的焊接性能较差，对白点形成敏感， 有回火脆性倾向。 g c r l 5 钢经热轧和冷加工后可供应棒材、冷拉圆钢、钢丝及制造轴承套圈的 钢管；还可以生产锻造方坯、板坯等品种。适宜于制造壁厚不大于1 2 m m 、外径 不大于2 5 0 m m 的各种轴承套圈；也适宜于制造尺寸范围较宽的滚动体，钢球直 径不大于5 0 m m ，圆锥、圆柱和球面滚子直径不大于2 2 m m ，以及所有尺寸的滚 针；还可用于制造模具、精密量具以及其他要求高耐磨性、高弹性极限和高接 触疲劳强度的机械零件。 g c r l 5 钢一般经淬火加低温回火后使用。对尺寸精度要求较高的零件，应在 淬火后进行深冷处理。 g c r l 5 钢的化学成分、相变温度、热处理工艺参数介绍如下： 1 2 武汉理i ：人学硕十：学位论文 ( 2 ) 相变温度。g c r l 5 铡的相变温度见表1 4 。 表1 4g c r l 5 钢的相变温度 t a b 1 4p h a s et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r eo ft h eg c r l5s t e e l ( 3 ) 热处理工艺。g c r l 5 钢的热处理上艺参数见表1 5 。 表1 5g c r l 5 钢的热处理工艺参数 t a b 1 - 5h e a tt r e a t m e n tp a r a m e t e r so ft h eg c r i5s t e e l 9 3 5 5 0 m m 钢球； c p _ 3 5 m m 滚子； q ) _ 2 0 m m 套圈 1 3 武汉理i ：人学硕+ ：学位论文 1 3 2g c r l5 钢热处理研究的发展概况 1 3 2 1 g c r l 5 钢的常规热处理工艺 g c r l 5 钢的常规热处理工艺包括预处理( 球化退火) 和最终热处理( 淬火+ 回火) 两个环节。 ( 1 ) 球化退火的目的一是降低硬度，以利于切削加工；二是获得铁素体基 体上均匀分布着的细、小、匀、圆的碳化物颗粒组织，为最终热处理做好组织 准备。 ( 2 ) 马氏体淬火+ 回火。淬火+ 回火是热处理的第二个环节，也是最后决定 轴承钢性能的热处理工序，是非常重要的一道工序。对g c r l 5 钢来说，淬火温 度应严格控制在8 4 0 - & 1 0 。c 范围内，常规马氏体淬火后的组织由马氏体、残余奥 氏体和未溶碳化物组成。淬火后应立即回火，以消除内应力，提高韧性，稳定 组织及尺寸。回火温度为1 5 0 1 6 0 ，回火时间为2 3 h ，回火组织为回火马氏 体、均匀细小的碳化物及少量的残余奥氏体。近2 0 年来，常规的高碳铬轴承的 马氏体淬回火工艺的发展主要分两个方面：一方面是研究淬回火工艺参数对组 织和性能的影响，如淬回火过程中的组织转变、残余奥氏体的分解、淬凹火后 的韧性与疲劳性能等；另一方面是研究淬回火的工艺性能，如淬火条件对尺寸 和变形的影响、尺寸稳定性等【3 3 】。 1 3 2 2 提高轴承性能的热处理新工艺 2 0 世纪8 0 年代，轴承行业对g c r l 5 ，g c r l 8 m o 贝氏体淬火工艺及性能进 行了系统的研究。9 0 年代初开始逐步在轧机、机床、客车轴承上推广应用。另 外，高碳铬轴承钢的渗碳或碳氮共渗、表面涂覆等技术也得到了长足发展与应 用。 ( 1 ) 贝氏体等温淬火。高碳铬轴承钢经下贝氏体淬火后，其组织由下贝氏 体、马氏体和残余碳化物组成。高碳铬轴承钢下贝氏体组织能提高钢的比例极 限、屈服强度、抗弯强度和断面收缩率，与淬回火马氏体组织相比，具有更高 的冲击韧