模具钢表面TD法制备碳化钒覆层的研究

摘要

TD法盐浴渗钒是TD法盐浴渗金属技术的一种，采用该工艺所形成的碳化钒覆层与基体结合力强于PVD、CVD等方法获得的结合力，而且，覆层在常温下具有良好的稳定性和优异的抗磨损能力，因此自从日本丰田研究中心提出这一技术以来就受到了人们的广泛重视，在国外已经成为一项较成熟的技术并广泛应用于冷作模具和零件的表面强化中。但该法在国内由于存在盐浴寿命低、设备腐蚀严重、工件变形大以及表面粘盐清理困难等一系列技术难点使得这一技术在国内还处于实验研究阶段，对其设备、工艺、覆层性能和组织结构以及覆层的形成机理的研究还不够充分，更未能把该技术在国内推广应用。 针对这样的现状，本文在成功开发出工业化生产甩TD处理成套设备、碳化钒覆层盐浴配方、碳化钒覆层工艺参数及处理流程的基础上，采用SEM/EDS、XRD、电子探针等测试和分析方法对TD法盐浴渗钒的初期行为和生长过程、组织结构进行了深入研究，并详细探讨了工艺参数对覆层组织结构的影响；应用显微硬度计分别对覆层表面和横截面的显微硬度进行了观察和测定；采用MM200型磨损试验机测试了覆层的耐磨性能，结合磨损形貌观察等研究手段，讨论了覆层的磨损机理。同时，本论文对稀土元素在盐浴渗钒中的作用进行了比较深入的探讨。本文还在上述实验研究的基础上，从热力学和动力学的角度分析了覆层形成机理并建立了覆层成长模型。所获得的较有价值的实验和分析结果如下： 1．在试验的基础上，对主要工艺参数(处理温度和浸入时间)和基体成分对覆层厚度的影响规律研究发现，处理温度的升高可以显著提高渗钒速率；在同一工艺条件下，碳化钒覆层的厚度与处理时间近似呈抛物线关系，与基体中的固溶碳含量几乎成正比例关系，而且基体中的强碳化物形成元素会降低覆层的生长速率。 2．对盐浴渗钒覆层形成初期的行为和成长过程的分析研究表明：盐浴渗钒覆层形成初期的行为受到基体材料组织的影响，获得均匀的基体组织可形成均匀致密的覆层，而且，在不同处理温度下碳化钒覆层的初期行为和生长方式都是一样的，覆层均通过两个步骤形成了两种不同形貌的区域，即底层的柱状区域和上部层叠状的等轴晶区域。但温度的降低会减缓覆层生长，温度的升高会加快覆层生长，从而导致覆层生长同一阶段所需的时间不同。 3．对在碳素结构钢和合金钢上采用不同工艺参数制备的碳化钒覆层进行组织结构分析发现，处理温度对长时间浸渗时形成的晶粒的形状和尺寸有很大的影响；不同工艺条件下形成的覆层均由VC组成，但处理温度和基体种类会影响覆层的择优取向；电子探针和能谱分析显示沿着覆层断面从界面到表面的方向存在碳、钒浓度的轻微变化，而且处理温度的高低会影响覆层中C、V元素的浓度。 4．应用显微硬度计进行了覆层硬度的测试，结果表明，覆层表面硬度低于碳化钒的理论硬度，而且覆层硬度随着基体硬度和覆层厚度的增加呈现递增的趋势；覆层横截面的显微硬度沿覆层厚度方向从外表面向基体方向有逐步升高的趋势而且在界面处存在突变；而且，研究不同温度下的覆层硬度发现低温处理可提高覆层的显微硬度。 5．在MM200型磨损试验机上进行的磨损试验结果表明碳化钒覆层可大幅度提高耐磨性，其磨损机理是疲劳剥落磨损，最终失效形式是在结合界面以下产生微裂纹，扩展到覆层，并由于裂纹尖端的高应力导致覆层破裂并剥落。 6．在上述试验和分析的基础上采用非稳态扩散传质和规则溶液亚晶格理论建立了覆层成长模型，结果表明，该数学模型对于在处理温度高于基体奥氏体化温度的工艺条件下的覆层厚度预测是合理的。而且应用该模型分析基体化学成分对覆层生长的影响规律表明：在TD处理温度下，合金元素的奥氏体碳活度影响因子J<'Y>为正的合金元素促进覆层的成长，为负则减缓覆层的成长。 7．通过在渗剂中添加少量稀土，研究稀土元素在不同条件下的催渗效果和稀土对覆层组织结构的影响结果表明，稀土添加量存在一个最佳值，还存在一个最佳催渗温度，而且，稀土的催渗作用主要集中在渗钒初期，随后稀土的催渗效果显著降低，同时，稀土的加入可以细化晶粒，提高覆层的硬度和降低脆性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

§1.1引言

§1.2模具钢表面渗金属强化的现状

§1.2.1粉末渗金属

§1.2.2盐浴渗金属

§1.3 TD法盐浴渗钒的研究概况

§1.3.1 TD法盐浴渗钒的使用设备

§1.3.2 TD法渗钒的盐浴分类

§1.3.3 TD法盐浴渗钒层的组织

§1.4 TD处理覆层性能及其应用

§1.5 TD法盐浴渗钒的基本过程及渗层生长基本规律

§1.5.1 TD处理的基本过程

§1.5.2 TD法盐浴渗钒层生长基本规律

§1.6本文研究的目的和主要研究内容

第2章TD处理设备研制

§2.1设备构成

§2.2 TD盐浴覆层炉的研制

§2.2.1 TD炉结构

§2.2.2坩埚材料

§2.2.3温度控制

§2.2.4应用效果

§2.3本章小结

第3章TD法渗钒盐浴配方的研究

§3.1引言

§3.2试验材料和方法

§3.2.1试验材料

§3.2.2试验方法

§3.3试验结果与分析

§3.3.1供钒剂的选择

§3.3.2还原剂的选择

§3.3.3活化剂的选择

§3.3.4基盐的选择

§3.4本章小结

第4章TD法盐浴渗钒的工艺研究

§4.1引言

§4.2 TD处理对基体的要求及试验基材的准备

§4.3试验步骤与方法

§4.3.1TD处理工艺路线

§4.3.2试验方法

§4.4试验结果与分析

§4.4.1基体成分对覆层厚度的影响

§4.4.2处理温度对覆层厚度的影响

§4.4.3处理时间对覆层厚度的影响

§4.5几种常见工艺问题的分析

§4.5.1高温盐浴的有关化学反应和化学热力学计算

§4.5.2盐浴的老化和活化

§4.5.3坩埚和夹具的腐蚀

§4.5.4工件表面的残盐

§4.6本章小结

第5章TD法盐浴渗钒层的初期行为及生长过程研究

§5.1试验方法

§5.1.1试样的制备方法

§5.1.2测试与分析方法

§5.2覆层形成初期的成分分析

§5.3覆层形成过程的形貌分析

§5.4本章小结

第6章TD法盐浴渗钒层的组织结构和性能

§6.1覆层的层貌

§6.2覆层的显微组织

§6.3覆层的结构分析

§6.4覆层的成分分析

§6.4.1测试方法

§6.4.2测试结果

§6.5覆层的硬度

§6.6覆层的耐磨性

§6.6.1试验方法

§6.6.2试验结果及分析

§6.6.3磨损机理分析

§6.7本章小结

第7章TD法盐浴渗钒层的形成机理

§7.1TD法盐浴渗钒的热力学研究

§7.1.1扩散热力学

§7.1.2碳化钒形成的热力学条件

§7.2碳化钒覆层生长的动力学研究

§7.2.1碳化钒覆层生长的数学模型

§7.2.2模型参数的确定

§7.2.3结果分析

§7.3基体成分对覆层影响的热力学分析

§7.4本章小结

第8章稀土元素对TD法盐浴渗钒的影响

§8.1引言

§8.2试验材料和方法

§8.3最佳稀土添加量的选择

§8.4稀土元素对覆层组织结构的影响

§8.5稀土元素对渗层硬度和脆性的影响

§8.6不同工艺参数下稀土催渗作用的研究

§8.6.1处理时间对催渗效果的影响

§8.6.2处理温度对催渗效果的影响

§8.7本章小结

第9章结论及展望

§9.1结论

§9.2展望

参考文献

主要创新点

致谢

攻读博士学位期间的研究成果