（机械工程专业论文）压铸模的表面处理工艺.pdf

武汉理工大学研究生硕士论文 摘要 h 1 3 钢与传统的3 c r 2 w 8 v 钢相比，它除了具有相当高的强热性和热硬性 外，其高温韧性和热疲劳抗力都更高。此外，h 1 3 钢比3 c r 2 w 8 v 钢还具有更 大的导热系数，更小的线膨胀系数，更低的淬火温度，更小的密度，而且价 格更便宜。这一系列优点使叭3 钢比3 c r 2 w 8 v 钢在制造热作模具钢时内在潜 力更大。因此，本文决定以叭3 钢作为研究对象，并对其进行淬火、回火工 艺研究，结果表明，h 1 3 钢采用二级盐浴分级淬火，比采用一级盐浴分级淬 火能使h 1 3 钢获得更大的冲击韧性。另外，对h 1 3 钢分别进行了硫氮碳( s n c ) 共渗加氧化处理，稀土( r e ) 一s n c 共渗处理及稀土( r e ) 一s n c 共渗加氧化 处理等表面处理工艺试验；并对处理试样分别进行了热疲劳性能、耐磨性以 及高温抗氧性等方面的试验 试验结果表明，在空气氧化条件下，添加稀土 的s n c 共渗加氧化复合处理试验的渗层热疲劳性能比未添加稀土( r e ) 的 s n c 共渗加氧化复合处理及随后未经氧化处理的( r e ) 一s n c 共渗的试样高， 同时稀土( r e ) 一s n c 共渗加氧化复合处理也能使h 1 3 钢的耐磨性和高温抗 氧化性得到明显提高。为了研究稀土对h 1 3 钢硫氮碳共渗加氧化复合处理渗 层的耐磨性和抗氧化性的作用，对加稀土和不加稀土两种情况下进行复合处 理的试样渗层分别进行了x 射线相分析和s e m 观察及能谱分析。x 射线相分 析结果表明，稀土元素确实渗入到钢中；s 跏观察表明，加稀土比不加稀土 处理的渗层中，氮( 碳) 化物更细小，而且其形状长大的方向由原来与试样 表面方向一致变为趋向于纵深方向，本文认为这可能就是由矛稀土的特殊作 、 用，才使得h 1 3 钢通过表面处理性能得到提高和改善。v ， 本文比较系统地对h 1 3 钢加稀土表面处理工艺进行了研究，力图找出最 佳的技术方案，文章最后总结了作者的研究工作，并探讨了本课题的今后的 研究方向和应进一步解决的问题。 关键词：h 1 3 钢，稀土、硫氮碳共渗、盐浴、热疲劳性能 7v 、， v 垫堡堡三盔堂堑壅生堡主垒塞 一 a b s t r a c t c o m p a r i n g h 1 3 s t e e lw i t ht r a d i t i o n a i3 c r 2 w 8 、 i th a s h i 曲e r h j g h - t e m p e r a l u r ee n d u r a n c ea r 】dr e s j s t a 力to f h e a tf a 廿g u eb e s i d e sr e 】a t j v e l yh j g h d o w e r f u lt h e r m a lt r a i t a 1 1 dh e a tr i g i d i t yt r a i t m o r e o v e l h l3i sc h e 印e rf o ri t s b i g g e rc o n d u c t i n g - h e a tc o e 币c i e n t ，s m a l l e r l i n e a re x p a l l s i o nc o e f n c i e n t ，l o w e r q u e n c h e rt e m p e f a t u r ea n ds m a l j e rd e n s i t yc o m p a r e dw i t h3 c r 2 w 8 v s t e e lt h e a d v a n t a g e s o fh 1 3m a k ei th a v e b i g g e r i n t e m “1 a t e n t c a p a b i l i t y t h a n 3 c r 2 w 8 v d u r i n gm a l c i n gh e a t - 0 p e r a i i o nm o u l ds t e e l _ s o ，i nt h i sp 印e l h l 3 i s u s e da ss t u d yo b i e c t ，i t sq u e n c h e ra n dt e m p e rt e c h n i c sa r cs t u d i e dt o o t h er e s u i t i n d i c a t e dt h a tb yu s i n gt w i c e - s a l t e dc l a s s 协c a t i o nq u e n c h e rh 1 3s t e e lc o u l dg e t b i g g e ri m p u l s i o n e n d u r a b l et r a i tt h a f l0 n c e s a l t e dc l a s s m c a t i o n q u e n c h e l m o r e o v e ls o m es u r f a c ep r o c e s s i o nt e c h n i c se x p e r i m e m ss u c ha ss n c c o m m o n p e n e l r a t i o n a n d o x y g e n a t i o np m c e s s i o n，r e s n c c o m m o n p e n e t r a t i o n p r o c e s s i o na n dr e - s n cc o m m o np e n e t r a t i o na l l do x y g e n a t i o np r o c e s s i o n a r e s e p a r a t e l yc a r r i e do u to nh 1 3s t e e l t h ep r o c e s s e ds a m p l ew a ss e p a r a t e dc a r r i e d o u te x p e r i m e n t so f h e a t f a t i g u et r a i t ，w e a r a b i et r a i ta n da n t i o x y g e n a t i o nu n d e r h i 2 ht e m p e r a t u r e t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a t ，u n d e r t h ec o n d i t i o no fa i r o x y g e n a t i o n ，t h eh e a l f a t i g u et r a i to fp e n e t r a t i n gl a y e ra d u l t e r a t e dr e w a sh i 曲e r t h a nt h a to fu n a d u l t e r a t e dr ei no r d e rt os t u d vt h ea c t i o nt h a tr ee 色c t e d w e a r a b j et r a j | a n dh 追ht e m p e r a t u r ea n t - o x y g e n a t i o no f h l 3s t e e 】s n cc o m m o n p e n e t r a t i o na 1 1 do x y g e n a t i o nc o m p l e xp r o c e s s i o n ，e x p e r i m e n ts a m p l ep e n e t r a t i o n l a y e rc o m p l e x l yp r o c e s s e du n d e r t 、v oc a s eo f a d d i n gr e a n dn o ta d d i ”gr ew a s c a r r i e do u lp h a s ea n a l ”i so f x r a y ，s e mo b s e r v a t i o na i l ds p e c t r u ma n a l y s i s t h e f o m e ri n d i c a t e dt h a tr ee l e m e n tw a sa c m a l l va d u l t e r a t e di n t ot h es t e e l ：t h el a t e r i n d i c a t e dt h a ti nt h ea d d e dr ed e n e t r a t i o n1 a y e ln i t r i d ew a ss m a l l e li t sd i r e c t i o n w a sc h a n g e da i o n gd e p t h i tw a sm a y b eb e c a u s eo ft h es p e c i a le 日b c to fr et h a t m a d et h ep e r f o m 坷n c eo f h 】3s t e e l b ej m p r o v e db ys u r f a c ep r o c e s s i o n t h i sp a p e rr e l a t i v e l ys y s t e m i c a l l ys t u d i e dt h et e c h n i c so f h l 3s t e e la d d e d r es u r f a c op m c e s s i o na n dt r j e dt on n dt h eo p t i m u mt e c h n 0 1 0 9 yp a t t e m i nt h e e n do f t h e p a p e t h ew c e r ss t u d yw o r kw a sg e n e r a l i z e d ，t h es c u d y d i r e c t i o na n d s o m ed r o b l e mw h i c hs h o u l db es 0 1 v e df a r t h e r i n n u r ew e r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：h 1 3s t e e l ，r e ，s n cc o m m o np e n e t r a t i o n ，s a l t e db a t h ，h e a t f 乱i g u ep e r f b f i l l a c e ， i l 武汉理工大学研究生硕士学位论文 第一章文献综述 在现代生产中，模具是大批量生产各种产品和日用生活品的重要 工艺装备，它以其特定的形状通过一定的方式使原料成型，由于模具 成型具有优质、高产、省料和成本低等特点，现已在国民经济各个部 门特别是汽车、拖拉机、航天航空、仪器仪表、机械制造、家用电 器、石油化工、轻工日用品等部门得到极其广泛的应用。 模具是一种重要的工艺装备，其使用性能和寿命直接影响到一个 企业产品的质量和更新换代的速度、技术经济效益和产品在市场上的 竞争力。因此，世界各国都在就模具强韧化的工艺和技术、缩短模具 的制造周期、提高模具的加工质量、延长模具的使用寿命等方向加强 研究。 近年来，随着压铸技术水平的提高，高效率、高性能压铸机的出 现，压铸生产己由单机自动化转向多道工序联动操作和组成平行作业 流水线这就进一步要求压铸模具有更长的寿命而对模具进行表面 处理是延长模具寿命的最有效、最经济、最省时的方法“3 。 1 1 提高压铸模寿命的途径 1 1 1 模具使用寿命的基本概念 模具因磨损、冲蚀腐蚀及热疲劳等原因而发生变形、破裂、粘着、 龟裂或铸件上出现毛刺、飞边、脱皮、伤痕划痕以及尺寸超差等现象 后- 模具不能再进行修复报废在此以前所加工出来的零件数量称为模 具寿命“1 。 1 1 2 影响模具寿命的因素 影响模具寿命的因素众多，可分为外因和内因两大类外因指的是 模具工作时的外界环境，其中包括工作条件、使用过程中的维护及保养 被加工零件的材料、壁厚、尺寸、形状等，内因指的是模具本身材质 武汉理工大学研究生硕士学位论文 一 的冶金质量机械加工工艺规程热加工工艺技术( 毛坯锻造及热处理) 摸具结构工艺设计方案以及配合精度等等。 从全面质量管理角度分析，模具使用寿命是人、机器、方法、材料 和环境五大因素影响。用公式表示，模具使用寿命2 设计材料材质 热处理制造使用挤压产品材料特性管理”1 。 1 1 3 压铸模失效形式 压铸模直接与高温、高压、高速的金属液相接触，一方面承受金 属液的直接冲刷、磨损、高温氧化及各种腐蚀作用；另一方面温度的 周期性交变升降非常激烈，因而其工作条件十分恶劣。其失效的主要 形式有： 模具表面反复承受高温高压熔融金属的作用，产生很大的热交 变应力引起热疲劳，从而在型腔表面形成细微裂纹。 熔融金属的长期腐蚀和氧化作用会逐渐引起裂纹，并对模壁产 生明显的熔融损伤。 金属液高速射入型腔造成冲蚀，同时注入时的高温，高压和热 应力作用，引起变形甚至开裂。 压铸金属部分粘附在模壁上，使型腔表面发生化学侵蚀。 推出或抽芯机构强度和刚度不足导致有关零件的断裂或弯曲。 压铸金属与型腔的较大摩擦力引起的磨损失效。 对于压铸锌等熔点合金，腐蚀和冲刷是压铸模失效的主要形式； 对于高熔点合金的压铸，压铸模失效的主要形式是由于热疲劳而造成 的热裂。 1 1 4 压铸模材料性能要求 为了保证生产的正常进行，提高模具寿命，对模具材料有以下性 能要求”7 、“： 高温下具有较高的红硬性，较高的高温强度，高温硬度，抗回 火稳定性和冲击韧性。 具有良好的导热性和抗疲劳性。 具有足够的高温抗氧化性。 热膨胀系数小。 具有高的耐磨性和耐腐蚀性。 具有良好的可锻性和切削性能。 具有良好的淬透性和较小的热处理变形率，目前常用的材料有： 3 c r 2 w 8 v 、4 c r 5 m o s i v l ( h 1 3 ) 。 2 武汉理工大学研究生硕士学位论文 1 1 5 提高压铸模具寿命的基本途径 使用优质钢材 模具毛坯在锻造时出现断裂或在淬火时出现工艺缺陷，以及服役 时其承载能力降低等，都与钢材的冶金质量密切有关。 采用先进的毛坯锻造工艺 锻造模具毛坯有两个目的：首先是碳化物分布均匀，以免加热是 奥氏体晶粒的长大，降低钢对过热的敏感性。均匀分布的碳化物硬度 极高，能显著提高钢的耐磨性和抗咬合能力，增强钢的塑性变形的抗 力。其次是形成合理的流线分布，使材料在力学性能上以及淬火变形 的趋向方面不会出现明显的各向异性。一般采用多向镦拔锻造工艺。 对模具材质作初步检验 模具材质应符合成分和性能的要求。 模具结构 模具结构设计要合理。 合金熔炼、保温过程的控制。 模具型面在高速金属流的冲刷下受到热冲蚀，应控制合金的温度 使模具始终处于热平衡状态。 采用最佳的模具热处理规范。 提高淬火温度、回火温度、以提高模具寿命，进行表面处理。 模具高能量密度表面强化处理。 高能量密度表面强化是在材料表面施加极高的能量，使之发生物 理、化学变化，以达到强化表面的目的。 采用良好的操作规范。 模具磨损后的处理。 电火花碳化钨表面强化工艺也可用作修复模具的手段。 国内己设计并研制成功低压等离子喷涂机组，可将工件置于低硬 度真空条件下进行等离子喷涂，使工件获得高强度、耐高温、耐腐蚀 的特殊涂层。 1 2 压铸模的表面处理工艺 1 2 1 表面技术的作用 材料的表面和近表面区域控制着固体的许多机械和化学性质，如 摩擦、磨损、腐蚀、粘附和断裂等”1 ，因此，采用各种表面改性方法 武汉理工大学研究生硕士学位论文 改造材料表面的性能，研究材料表面改性层成分，组织结构与性能的 关系，是现代材料科学领域研究的重点之。 现在表面技术的应用已经十分广泛。对于固体材料来说，使用表 面技术的主要目的是：“ 提高材料抵御环境作用能力。 赋予材料表面某种功能特性，包括光、电、磁、热、声、吸附、 分离等各种物理和化学性能。 实施特定的表面加工来制造构件、零部元器件等。 表面技术主要是通过以下两条途径来提高材料抵御环境作用能力 和赋予材料表面某种功能特性“： 施加各种覆盖层，主要是采用各种涂层技术，包括电镀、电刷 镀、化学镀、涂装、粘结、堆焊、熔结、热喷涂、塑料粉末涂敷、热 浸镀、搪瓷涂敷、真空蒸镀、溅射镀、离子镀、化学气相沉积、分子 束外延制膜、离子束合成薄膜技术等。此外还有其它形式的覆盖层， 例如各种金属经氧化和磷化处理后的膜层：包箔、粘片的整体覆盖层； 缓蚀荆的暂时覆盖层等等。 用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的形貌，化学成分、 相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态。即采用各种表面改性技术。 主要有喷丸强化、表面热处理、化学热处理、等离子扩散处理、激光 表面处理、电子束处理、高密度太阳能表面处理、离子注入表面改性 等。 1 2 2 常用的表面改性技术 喷丸强化 在受喷材料的再结晶温度下进行的一种冷加工方法，加工过程由 弹丸在很高速度下撞击受喷工件表面而完成。喷丸可应用于表面清 理，光洁加工，喷丸成型，喷丸校形，喷丸强化等。喷丸强化使工件 在受喷后具有预期的表面形貌，表层组织结构和残余应力场，从而大 幅度的提高疲劳强度和抗应力腐蚀能力。 表面热处理 是指仅对工件表层进行热处理，以改变其组织和性能的工艺。主 要方法有感应加热淬火、火焰加热表面淬火、接触电阻加热淬火、电 解液淬火、脉冲加热淬火、激光热处理和电子束加热热处理等。主要 用来提高钢件的强度、硬度、耐磨性和疲劳极限。 化学热处理 4 武汉理工大学研究生硕士学位论文 化学热处理是将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温 使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分，组织和性能的热 处理工艺。按渗入的元素可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金 属等。渗入元素介质可以是固体、液体和气体。但都由介质中化学反 应、外扩散、相界面化学反应( 或表面反应) 和工件中扩散四个过程 进行处理。主要用途是提高钢件的硬度、耐磨性、耐蚀性和疲劳极限。 等离子扩渗处理 等离子扩渗处理有称离子轰击热处理，是指在压力低于o 1 m p a 的 特定气氛中利于工件( 阴极) 和阳极之间产生的辉光放电进行热处理 的工艺。常见的有离子渗氮、离子渗碳、离子碳氮共渗等，尤以离子 渗氮最普遍，优点是渗氮剂简单，无公害。渗层较深，脆性低，工件 变形小。对钢铁材料适用面广，工作周期短。 激光表面改性 激光表面改性主要利用激光的高亮度、高方向性和高单色性三大 特点对材料表面进行各种处理，显著改善其组织结构和性能。主要工 艺方法有：激光相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化、激 光冲击硬化。 电子束表面改性 电子束表面改性通常由电子枪阴极灯丝加热后发射带负电的高能 电子流，通过一个主干状的阳极，经加速射向工件表面，使其产生相 变硬化，熔覆和合金化等作用。主要优点是加热快，变形小，淬火后 可获细晶组织等。 高密度太阳能表面处理 利用聚焦的商密度太阳能对工件表面进行局部加热，约在o 5 秒 至几秒内使之达到相变温度以上，进行奥氏体化，然后急冷，使表面 硬化。 离子注入表面改性 将所需的气体或固体蒸气，在真空系流中离化，引出离子束后， 用数干电子伏至数百干电子伏加速直接注入材料，达到一定深度，从 而改变表面的成分和结构，达到改善性能之目的。其优点是注入元素， 不受材料固溶度限制，适用于各种材料，工艺和质量易控制，注入层 与基体之间没有不连续界面。它的缺点是注入层不深，对复杂形状的 工件注入有困难。 茎坚堡三奎兰堕塞生堡主兰焦堡茎 1 2 3 钢的化学热处理 化学热处理是将金属或合金置于一定温度的活性介质中保温，使 一种或几种元素渗入它的表层，以改变其表面化学成分。按渗入的元 素可分为渗碳，渗氮，碳氮共渗，渗硼，渗金属等。 按渗入的介质物理状态的分类见表l - i ： 表卜l按渗入的介质物理状态分类法 分类法说明内容 粉末或颗粒包装法 固体法涂渗法膏刺法、铸渗法 电镀、电泳法或喷镀后扩散退火( 退火温度低于渗入元素熔点) 熔盐法一一熔盐浸溃、熔盐电解 液体法热侵法 电镀、电泳、喷镀后扩散退火( 退火温度低于渗入元素熔点) 气体化合物分解、还原或置换 有机化合物分解法 气体法离子( 辉光放电) 法 真空蒸发法 流动粒子层法 化学热处理过程都可以分解为四个独立的分过程，但彼此相互联系，相 互制约，缺一不可见表1 2 。 6 武汉理工大学研究生硕士学位论文 表卜2化学热处理的基本过程 序号分过程 说明 1介质化学反应介质发生一系列化学反应 在贴进金属表面处的介质中，为交换反应物与 2外扩散反应生成物所进行的扩散( 外扩散) 即活性组分向 工件表面扩散，反应产物离开表面向介质内部扩散。 相界面化学反 介质中某些分子或离子在金属上进行吸附和由 3 应或表面反应此产生的各种界面化学反应。 金属中的扩散渗入元素原子被吸收并溶入基体金属中，由金 4 ( 内扩散，包括属表面向纵深迁移( 内扩散) 有些还发生反应扩散 反应扩散)形成新相，从而构成了具有一定深度的渗层。 表卜3氮碳共渗时的生成相及其晶体结构 名称主要成分晶体结构备注 在氮碳共渗最外层。与f e ，c 、f e 。n 构成 f e ：，n ( 固密排六方化合物层。温度升高时，占相区向低氮方向 占 溶碳)结构扩展。占相能溶解大量的碳。碳能扩大s 相 区，使占相区向低氮方向扩展。 f e 。n ( 几乎面心立方 y6 8 0 以上分解为占相 不固溶碳)晶格 固溶有碳 面心立方 出现在5 6 5 ( 三相共析点) 以上，缓冷 氮的奥氏 晶格 分解为共析体a + y ，快冷可得马氏体+ 残余 体奥氏体。 含氮铁素体心立方 体晶格 在5 9 0 时氮的最大溶解度为0 1 体心正方 含氨过饱和的a 相，在淬火后低温回火 q ” f e l6 n2时析出此相，随回火温度升高此相转变为 晶格 y 相。 7 亟堡里三奎兰塑壅兰堡主兰垡堡壅 1 2 4 钢的氮碳共渗 氮碳共渗( 低温碳氮共渗一工件表面渗入氮和碳并以渗氮为主 的化学热处理工艺。 氮碳共渗具有处理温度低，时间短，不受钢种限制及零件畸变小 等优点。处理后零件能获得优良的耐磨性，耐蚀性，表面摩擦系数小 和疲劳强度高等性能。“ 表卜3 为氮碳共渗时的生成相及其晶体结构。 氮碳共渗方法主要有以下几种： 氮碳共渗法 盐浴法f ：景霎端学舵册方 气体法 氮碳分别供给型 氮碳同时供给型 离子法一一渗碳性气氛+ 氨气 i 吸热型气体( 兄| y ) 碳供给 放热型气体( n v ) i 有机液体热分解 氨供给 氨气 尿素热分解 甲酰氨热分解 其它含氮有机化合物热分解 1 2 5 盐浴硫氨碳共渗( s n c 共渗) 在一定温度的盐浴中，使硫氮碳渗入工件表层的化学热处理工艺 称为盐浴硫氮碳共渗( s n c 共渗) 它兼具氮碳共渗与渗硫的特点，能赋 于工件优良的耐磨、减摩、抗咬死、抗疲劳性能、并改善除不锈钢以 外的所有钢铁件的耐蚀性“。对于因粘着磨损，非重载疲劳断裂而导 致失效的机械构件，刀具和模具有良好的强化效果。工业生产中应用 的主要是在5 9 0 以下实施的盐浴s n c 共渗，处理温度低于相变点，对 基本组织与性能无不良影响，且畸变小。 武汉理工大学研究生硕士学位论文 1 3稀土在钢铁材料表面工程中的应用 1 3 1稀土元素的特殊性质 稀土是化学性质十分相似而又较多难分离的1 7 个元素的总称， 它包括元素周期表中的1 5 个镧系元素及同族的副族元素钇和钪。自 1 7 9 4 年发现第一个稀土元素钇以来有2 0 0 多年的历史，随着人类社会 的进步，科学技术的发展，人类对稀土的认识越来越深刻，使用越来 越广泛，从目前已经报道的资料来看，稀土的应用已渗入到社会经济 发展的各个领域及人类生活的各个方面，人们不禁感叹稀土真稀奇。 由于稀土元素具有某些特殊的性质，在工业生产中加入少量稀 土，充分利用其特殊性，可以收到十分明显的效果。在钢中加入少量 稀土可提高其强度、韧性、耐磨性及抗氧化性。在3 0 号结构钢中加入 o 0 8 的钇可使冲击韧性提高1 0 2 0 m j c m 2 ；铸铁中加入少量稀土可改 变铁中石墨形态，抗拉强度提高1 0 2 0 ；在铝中加少量稀土可提高 强度，提高抗拉强度l o 左右，提高导电率o “左右；在铅铁合金中 加入少量稀土可提高温屈服强度4 9 6 3 ，提高高温抗拉强度3 5 ，且 具有优良的抗蠕变和抗应力腐蚀开裂的性能“。 1 3 2 稀土在钢中的应用 稀土在钢中的应用受到日益广泛的重视，并已卓有成效。但不能认 为是消除钢的冶炼与加工工艺所有弊病的根本方法。生产实践证明。向 钢中加入适量的稀土( 金属，氧化物，氟化物等) 以及合适的方法，正在 解决着稀土在钢中的应用的技术和经济问题，从而为它在钢中应用开 辟了广阔的前景。 形成稀土在钢中的主要作用有五：精练，脱氧，变性，中和低熔点有 害杂质( 铅，砷等) 以及固溶体和形成新的化合物而使钢强化。它的对钢 的脆性转变温度，淬透性，耐热和不钢的高塑性、耐蚀性，均有良好的 影晌“”。 稀土在钢中的物理化学作用： ( 1 ) 变性作用加入各种稀土元素，能使金属和合金的晶粒急剧细 化，变性的作用机理可能是：形成新的晶核，增加表面张力和冷却能 力在正在增长的新相析出的表面上能造成阻碍它的增长的吸附膜。稀 土金属较强的变性作用，在钢板生产中料应用，生产l6m n 钢中加入 0 1 5 一o 2 的稀土，使在钢板的条状硫化物变成球状，提高了钢板的纵 横向性能( 冲击韧性) 。显著减少钢板的种向性。提高了钢板的冷变形 性能t 大大降低了冷冲压次品率。其当钢中残留的k s 为3 时。细长 武汉理工大学研究生硕士学位论文 条的ms 全部变为粒状稀土硫化物，效果最佳。在特厚板生产中。每 吨钢用4k g 稀土硅铁合金代替铝作脱使向断上合格率由3 0 提高到 8 09 0 。 ( 2 ) 脱氧 稀土元素氧化物的生成自由能具有更大的负值而且它们的热稳 定性很好，因而是强烈的脱氧剂，钢中氧含量是在加入稀土后的最初 几分钟内显著减少，而后因有耐火材料的作用，氧稍有增多，但仍比 较低。钢中加入稀土后氧含量显著降低，后由于耐火材料的作用和暴 露于空气，铜中氧含量又有所回升a ( 3 ) 脱硫 稀土和硫作用，生成热效应大，稀土硫化物有很大的热稳定性， 因而是强烈的脱硫作用，硫化物呈球状分布，起了变化作用，而使钢 的性能得到改善。稀土硫化物熔点高。改善了一些钢的热加工性能。 ( 4 ) 与氧的作用 稀土和氧有一定的亲和力。镧、铈在铁液中与氧的平值都较钢液 中正常含量( o 0 0 20 0 1 0 ) 为高。因而自钢中加入稀土，未见氧含量 降低，这是自然的，不仅如此，向钢中加入稀土后微有增氮的趋势。 这可能是稀土合金中通常氧量高所致，稀土虽不去氧，但有可能克服 一些钢中因高氮而带来的缺陷。适当加入稀土量，可以提高1 5 c r m o l v 铸钢在5 6 5 人工时效2 0 0 0 小时后的冲击韧性。当钢中氧含量由 o 0 0 6 提高到o 0 3 时。脆性较变温度大大提高，而加入1 1 公斤 吨混合稀土后，则可使脆性转变温度恢复到低氧钢的水乎，向低氧钢 中加入稀土。则不再降低脆性转变温度。 1 3 3 稀土在钢化学热处理中的应用 综合现有的资料。稀土在钢中应用效果明显的有：1 ) 用以改善碳 钢及善通低合金钢的钢板性能指标；2 ) 用以改善高合金钢热加工性能： 3 ) 用以提高电热合金钢使用寿命。上述三方面的应用已在工业生产中 进行了实践。稀土在钢中其它方面的应用。现不处于断探索的过程中， 可以预计，随着工作的深入，稀土在钢实际生产中应用的范围将不断 扩大。 稀土是化学性质十分相似而有较难分离的1 7 个元素的总称，它包 括元素周期表中的1 5 个镧系元素及同族的副族元素钪和钇。稀土是典 型的金属，具有银灰色的金属光泽。在钢中加入少量稀土可提高其强 度，韧性，耐磨性及抗氧化性“”，。 稀土在钢的多元共渗中，如snc 共渗中可以扩渗到钢件的表层， 可加速渗入元素n 、c 在钢件表面的扩渗速度，提高其浓度；改善了渗 层的金相组织：表层碳化物数量增多，尺寸变小，呈弥散分布而且向 1 0 武汉理工大学研究生硕士学位论文 内延伸较深，亚表层的残余奥式体含量明显增多。经稀土多元共渗处 理的零件，性能得到大幅度提高。 稀土催渗s n c 共渗，可明显增加渗层厚度。一般认为稀土可加 速渗剂分解及吸收过程。稀土吸附在金属表面，由于稀土原子的可变 性，一部分稀土以活性原子形式渗入金属表层，存在于金属缺陷处( 如 晶界、亚晶界、位错、空位) ，使晶格畸变，有利于间隙原子s 、n 、c 、 o 由高浓度向低浓度迁移。由于畸变区的存在，有利于s 、n 、c 、o 化 合物的形成，使其浓度也增加，最终使扩散速度加快，渗层厚度增加。 稀土催渗s nc 共渗表面层，可形成柔软多空的硫化物及铁铬的 氧化物，有储油及自润滑作用，摩擦系数小，跑和期短的优点，可大 大改善模具表面的抗粘着磨损性能。 稀土尤其是c e 、y 对金属抗氧化性也有很好的作用。 作为一级近似，不妨粗略地研究一下稀土对各类渗入原子扩散的 综合影响，以期给出半定量估算。 由f i c k 第二定律： 拿：d 篓 ( 1 ) a氖2 如果把稀土对渗剂分解和吸附的影响等效为对扩散的影响，则有 下列初始条件和边界条件： t = o 时：o x o 。，c = c o ：x = o 时：o t 。c ：c s( 2 ) 式中t 为时间，x 为层深，c 为浓度，c o 和c s 分别为原始平均浓 度和表面平均浓度，d 为扩散系数。 方程( 1 ) 的解为： 糍斗咧盍， c s c o 。、2 7 、 n t 。 ? 当c o 和c s 为常数时 三一= 足 2 d f 式中k 为常数，根据层深与时间关系的数据可得 x a ：5 0 以；x b = 3 1 7 石 式中x a 和x b 分别表示经a 、b 渗剂处理得到的层深 面有稀土和无稀土渗剂，进一步有： ( 4 ) ( 5 ) a 、b 分别表 d = 2 5 d b 式中d a 和d b 为分别与a 、b 渗剂对应的原子平均扩散系数。因而 重坚里三奎兰堑塑生堡主兰焦堡茎 d o = d 2 岳：黧一，。紫冲， 珐一c x p ( 一黔。叫一。 1 2 茎坚里三查堂堕窒圭堡主兰垡垒奎 一 第二章压铸模表面处理工艺 2 1 压铸模选材 热作模具钢在冷热循环过程中热应力的大小是导致热疲劳的直接 原因，热应力的大小可由下式决定： 仃：占丝坚 ( 1 ) 1 一 式中口e 口分别为材料的热膨胀系数，弹性模量，泊松比，t 为冷热循环温差，6 为约束系数。由于一般所选模具钢的口相近， 因此，在6 ，t 一定的情况下，材料的口值越小越好。 材料的热疲劳实际上是由材料内产生的热应力以及材料的热疲劳 抗力共同决定的。而材料的热疲劳抗力可由以下经验公式表示： ，rj 热疲劳抗力= k 羔( 1 + 叩| ；f ，) ( 2 ) l c 沁 式中口，b ，的意义与前面式中相同， 为材料导热率， 为材料在工作温度下的屈服强度，矿，n 分别为材料的断面收缩率和 韧性系数，k 为综合抗力系数。 由式( 2 ) 可见，在材料选定之后，通过适当的热处理及表面处理， 提高材料的强韧性，是改材料热疲劳性能的关键，下面诸图表是关于 4 c r 5 m o s i v l ( h 1 3 ) 钢和3 c r 2 w 8 v 钢与热疲劳性能有关的一些性能指标对 比。 表2l 热膨胀系数与导热率 热膨胀系数( 2 0 5 0 0 ) 钢号导热率c a l c m s l o6 m m m m 3 c r 2 8 y1 6100 5 8( 7 0 0 c ) 4 c r 5 m o s i v l12 800 6 9( 6 0 0 ) 冷热循环后硬度的衰减值能反映钢的抗累积回火软化的能力。由 表2 2 可见，在铝合金压铸模型腔工作温度上限( 6 0 0 ) 以下的温度 范围内，4 c r 5 m o s i v l 钢的抗回火软化能力更优。 茎翌堡三查兰婴壅兰堡主兰竺丝兰 表2 2 冷热循环前后的硬度 循环上限温度( ) 5 5 06 0 06 5 07 0 0 ， 循环次数 5 5 04 5 03 5 03 0 0 循环前硬 5 245 245 245 24 度 3 c r 2 w 8 v 循环后 4 6 34 4 94 3 24 0 1 硬度 衰减值 6l7 59 212 3 循环前硬 5 165 166 165 16 度 4 c r 5 m o s i v l 循环后硬 4 6l4 474 233 85 度 衰减值 5 56 99 3 13l 表2 注；表中硬度皆为h r c 循环前热处理工艺： 3 c r 2 w 8 v “5 0 油淬 4 c r 5 m o si v l 5 7 0 两次回火 1 0 5 0 油淬 5 7 0 两次回火 循环下限温度为2 8 ( 室温) 表2 3抗氧化性性能( 6 0 0 2 5 。3 0 0 次循环氧化) 钢号 式样单位表面积平均失重 c 1 0 3 k g m 2 f3 c r 2 w 8 v6 96 4 c r 5 m o s i v l4 24 武汉理工大学研究生硕士学位论文 图2 一l 高温强度 圈22 高温塑性 1 5 武汉理工大学研究生硕士学位论文 由于6 0 0 以下温度范围内，4 c r 5 m o s i v l 钢与3 c r 2 w 8 v 钢相比上 述各项影响热疲性指标都更优一些因此，决选用4 c r 5 m o s i v l 钢，其 成分见表2 4 。 表2 44 c r 5 m o s i v l 钢化学成分( w t ) 陲 cs 1m npsc rm o v o 8 0 卜 0 3 2o 8 0o 2 0 4 7 51 1 0 o 4 51 2 0o 5 0 0 0 30 0 3 5 5 01 7 5 1 2 0 我们在选定钢之后，着重从淬火冷却工艺和表面处理工艺方面着 手进一步提高模具的热疲劳性能。 2 2 淬火冷却工艺 采用二级盐浴级淬火冷却工艺提高韧性 根据热疲劳理论，热疲劳是塑性变形累积损伤的结果。又根据前 面的热疲劳抗力经验公式，在材料选定后，进一步提高材料整体和表 面的强韧性，以及在有氧化气氛环境下进一步提高表面的抗氧化性， 就成了提高材料热疲劳性能的主要方向。应当说，热疲劳现象非常复 杂，有关的理论到目前为止，还并不完善，在不少问题上还有争议。 但是，根据热疲劳现象的本质，一般认为，它遵从低周疲劳的规律。 低周疲劳寿命的估算可采用c o f f i n 公式： p n f l 门= c( 3 ) 其中er 为塑料应度幅，在总应度幅中，塑性应度幅对热疲劳起 主导作用；n f 为疲劳寿命周数：c 为常数，c o f f i n 认为这个常数首先 与材料的韧性及塑料有关，其次，温度及其它实验条件，如热冲击的 平均温度、上限温度、高温停留时间、加热速度等都会对c 有一定的 影响。因此，对低周疲劳而言，改善材料的韧塑性，对改善其热疲劳 性能尤为重要。 具体到铝合金压铸模，根据热疲劳抗力公式，强度和韧、塑性对 热疲劳抗力都有贡献，但是谁的贡献是重要的，取决于热应度幅的大 小。有文献认为，塑性应度幅超过o 8 1 o 时，韧、塑性的作用是重 要的。压铸模工况的热应度幅达到o 7 ，再加上因模具加工，安装等 茎婆里三查兰堕室圭婴主兰堡堡奎 产生的机械应度幅与之叠加后，塑性应度幅往往就超出08 1 0 范 围。因此，从强、韧性角度考虑，在保证适当的硬度、强度的前提下， 要充分考虑韧、塑性指标的提高。对压铸模来说，最后要经表面强化 处理，提高表面强度、耐磨性、抗氧化性因而在表面处理之前，对 基体进行改善韧性的处理，这对降低模具对疲劳裂纹向纵深发展的敏 感性，提高对热疲劳裂纹扩展的抗力和热疲劳寿命是十分重要的。经 反复试验研究后，我们有如下结果( 或结论) ： 4 c r 5 m o s l v l 钢加热奥氏体化后( 1 0 2 0 ) 淬火冷却过程中先析 出晶间碳化物及淬火组织中贝氏体数量的多少，是影响热处理后韧性 的重要原因： 减少4 c r 5 m o s i v l 钢热处理后“贝氏体脆性”，是提高其冲击韧 性的重要途径之一： 采用5 0 0 和2 0 0 二级盐浴分级淬火比采用3 3 0 一级盐浴淬 火和空气淬火，可侵4 c r 5 m o s i v l 钢获得更大的冲击韧性。 圈2 3 是4 c r 5 m o s i v l 钢的二级盐浴分级淬火冷却工艺。 p 、 出l 、 、 、一 i t c j ， 、7 耘j 餮 ， 。厂， + 荣化物 + 、 、 、 、 、 、j j p 。 j 一| |， ， 蔓l 、a 一 。 图23 二级盐洛分级淬火冷却工艺 1 7 堕堡堡三奎兰堕窒圭堡主兰堡堡兰 2 3 表面化学热处理 2 3 1 常用的压铸模表面化学热处理工艺 对于铝台金压铸模和挤压模其失效形式主要是热疲劳和磨损， 其常用的表面处理工艺有离子渗氮、气体氮碳共渗、盐浴氮碳共渗和 盐浴硫氯碳等。 2 3 1 1 离子渗氮 在低于o 1 m p a ( 即一个大气压) 的渗氮气氛中，利用工件( 阴极) 和阳极之间产生的辉光放电进行渗氮的工艺，与气体渗氮相比，其主 要优、缺点见表2 5 。 表2 5离子渗氮的主要优、缺点 优、缺点内容及说明 l 渗氮速度快，仅为普通气体渗氨时间的l 3 l 5 。 2 热效率高、节约能源、气源。 3 渗氨组织易控制、脆性小。 优点： 4 可实现无公害热处理，劳动条件好。 6 畸变小，离子渗氮温度可降至4 0 0 甚至更低。 6 容易实现局部渗氮。 l 不同形状、尺寸、材料的零件混合装炉渗氮时，难于使各部温度 平均一致。 缺点：2 设备较复杂，调整维修困难，一次性设各投资费用高。 3 准确测定工件温度较麻烦。 4 对操作人员的技术要求较高。 用盐浴作介质进行的液体氮碳共渗，其主要成分是碱金属氰酸盐 m e c n o ( m e 代表k + 、n a + 等元素) 。 2 3 1 2 气体氮碳共渗 工件在相应的气体介质中和一定的温度下同时渗入氮和碳而以渗 氦为主的化学热处理工艺称为气体氮碳共渗，又称气体软氮化。 常用渗剂有： 含有氮、碳原予的有机化合物，如尿素、三乙醇胺、甲酰胺等 这类渗剂可单一使用，也可与其它有机化合物同时使用。 武汉理工大学研究生硕士学位论文 以氨气为主，添加醇类裂解气、二氧化碳、吸热型气氛、放热型 气氛等任何一种气体。 常用