模具鋼表面TD法制備碳化釩覆層的研究.pdf

1、TD法鹽浴滲釩是TD法鹽浴滲金屬技術(shù)的一種，采用該工藝所形成的碳化釩覆層與基體結(jié)合力強(qiáng)于PVD、CVD等方法獲得的結(jié)合力，而且，覆層在常溫下具有良好的穩(wěn)定性和優(yōu)異的抗磨損能力，因此自從日本豐田研究中心提出這一技術(shù)以來就受到了人們的廣泛重視，在國外已經(jīng)成為一項(xiàng)較成熟的技術(shù)并廣泛應(yīng)用于冷作模具和零件的表面強(qiáng)化中。但該法在國內(nèi)由于存在鹽浴壽命低、設(shè)備腐蝕嚴(yán)重、工件變形大以及表面粘鹽清理困難等一系列技術(shù)難點(diǎn)使得這一技術(shù)在國內(nèi)還處于實(shí)驗(yàn)研究階段，

2、對其設(shè)備、工藝、覆層性能和組織結(jié)構(gòu)以及覆層的形成機(jī)理的研究還不夠充分，更未能把該技術(shù)在國內(nèi)推廣應(yīng)用。 針對這樣的現(xiàn)狀，本文在成功開發(fā)出工業(yè)化生產(chǎn)甩TD處理成套設(shè)備、碳化釩覆層鹽浴配方、碳化釩覆層工藝參數(shù)及處理流程的基礎(chǔ)上，采用SEM/EDS、XRD、電子探針等測試和分析方法對TD法鹽浴滲釩的初期行為和生長過程、組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，并詳細(xì)探討了工藝參數(shù)對覆層組織結(jié)構(gòu)的影響；應(yīng)用顯微硬度計(jì)分別對覆層表面和橫截面的顯微硬度進(jìn)行了觀

3、察和測定；采用MM200型磨損試驗(yàn)機(jī)測試了覆層的耐磨性能，結(jié)合磨損形貌觀察等研究手段，討論了覆層的磨損機(jī)理。同時(shí)，本論文對稀土元素在鹽浴滲釩中的作用進(jìn)行了比較深入的探討。本文還在上述實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，從熱力學(xué)和動力學(xué)的角度分析了覆層形成機(jī)理并建立了覆層成長模型。所獲得的較有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)和分析結(jié)果如下： 1．在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對主要工藝參數(shù)(處理溫度和浸入時(shí)間)和基體成分對覆層厚度的影響規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)，處理溫度的升高可以顯著提高滲釩速率

4、；在同一工藝條件下，碳化釩覆層的厚度與處理時(shí)間近似呈拋物線關(guān)系，與基體中的固溶碳含量幾乎成正比例關(guān)系，而且基體中的強(qiáng)碳化物形成元素會降低覆層的生長速率。 2．對鹽浴滲釩覆層形成初期的行為和成長過程的分析研究表明：鹽浴滲釩覆層形成初期的行為受到基體材料組織的影響，獲得均勻的基體組織可形成均勻致密的覆層，而且，在不同處理溫度下碳化釩覆層的初期行為和生長方式都是一樣的，覆層均通過兩個(gè)步驟形成了兩種不同形貌的區(qū)域，即底層的柱狀區(qū)域和上部

5、層疊狀的等軸晶區(qū)域。但溫度的降低會減緩覆層生長，溫度的升高會加快覆層生長，從而導(dǎo)致覆層生長同一階段所需的時(shí)間不同。 3．對在碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金鋼上采用不同工藝參數(shù)制備的碳化釩覆層進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，處理溫度對長時(shí)間浸滲時(shí)形成的晶粒的形狀和尺寸有很大的影響；不同工藝條件下形成的覆層均由VC組成，但處理溫度和基體種類會影響覆層的擇優(yōu)取向；電子探針和能譜分析顯示沿著覆層斷面從界面到表面的方向存在碳、釩濃度的輕微變化，而且處理溫度的高低

6、會影響覆層中C、V元素的濃度。 4．應(yīng)用顯微硬度計(jì)進(jìn)行了覆層硬度的測試，結(jié)果表明，覆層表面硬度低于碳化釩的理論硬度，而且覆層硬度隨著基體硬度和覆層厚度的增加呈現(xiàn)遞增的趨勢；覆層橫截面的顯微硬度沿覆層厚度方向從外表面向基體方向有逐步升高的趨勢而且在界面處存在突變；而且，研究不同溫度下的覆層硬度發(fā)現(xiàn)低溫處理可提高覆層的顯微硬度。 5．在MM200型磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的磨損試驗(yàn)結(jié)果表明碳化釩覆層可大幅度提高耐磨性，其磨損機(jī)理是疲

7、勞剝落磨損，最終失效形式是在結(jié)合界面以下產(chǎn)生微裂紋，擴(kuò)展到覆層，并由于裂紋尖端的高應(yīng)力導(dǎo)致覆層破裂并剝落。 6．在上述試驗(yàn)和分析的基礎(chǔ)上采用非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散傳質(zhì)和規(guī)則溶液亞晶格理論建立了覆層成長模型，結(jié)果表明，該數(shù)學(xué)模型對于在處理溫度高于基體奧氏體化溫度的工藝條件下的覆層厚度預(yù)測是合理的。而且應(yīng)用該模型分析基體化學(xué)成分對覆層生長的影響規(guī)律表明：在TD處理溫度下，合金元素的奧氏體碳活度影響因子J<'Y>為正的合金元素促進(jìn)覆層的成長，為負(fù)