H13钢电火花沉积表面改性研究

摘要

H13 钢是目前使用最广泛和最具代表性的热作模具钢种。热作模具的主要失效形式为热侵蚀、热冲蚀磨损及热疲劳。表面适当改性是提高模具使用寿命的有效途径之一。
　　 借助电火花沉积表面改性技术，可在模具表面形成与基体呈冶金结合的表面合金改性层。该表面合金改性层的成分和硬度等性能沿纵深方向呈梯度分布。表层高合金层与基体冶金结合，不存在界面问题。过渡层组织结构的的梯度变化以及由此导致的硬度等性能的梯度变化，将会明显改善改性层内应力释放机制和变形协调性，缓解改性层内部裂纹的形成和扩展。
　　 从而抑制龟裂等表面失效的发生，避免常规涂层由于界面弱化带来的热疲劳脱层，并可提高模具表面磨损抗力。
　　 本文在分析电火花放电沉积机理的基础上，以比沉积能量为参数，在H13 钢基材上分别制备Mo、Ti 改性层。探讨了比沉积能量与沉积层厚度的定量表达关系。借助表面性能测试及物相分析，研究了表面合金层的组织结构及相关磨损、腐蚀特性。取得以下具体研究结果:
　　 1)采用高径比很小的片状电极代替棒状电极可以有效避免棒状电极尖端引起的放电不稳定现象，可有效改善沉积层表面粗糙度和均匀性。
　　 2)改性层的厚度与比沉积能量近似成正比。改性层的截面由表及里依次为高Ti和高Mo合金层、电极元素扩散过渡层、热影响区及基体组织。改性层表面主要物相分别为α-Fe、电极元素单质及其固溶体、金属间化合物和部分N、O 化合物。改性层成分和硬度沿纵深方向呈梯度分布，高合金白亮层表层与基体为冶金结合，无界面突变。
　　 3)利用球盘磨损仪对比研究基材及电火花沉积Mo 改性层的摩擦学性能表明，选择Si3N4 钢球为摩擦副时，Mo 改性层的摩擦系数大约都在0.55-0.6之间。由于Mo 元素的减摩作用，改性层摩擦系数较H13 钢基材略有减小。
　　 基材磨损主要以磨粒磨损及粘着转移为主，而Mo 改性层硬度较高，主要磨损形式为摩擦副之间的犁削磨损。改性层的磨损量仅为0.0065mm 3，约为基材磨损量1.5010mm 3的2301。
　　 4)电化学检测结果表明,Ti 改性层在0.6mol/L的NaCl 溶液自腐蚀电位明显正移，由-478mV 上升为-340mV，耐Cl-点蚀性能得到较大改善。在0.5mol/L H2SO4 溶液中，改性层极化曲线明显左移，且改性层的自腐蚀电位基本不变。改性层在200mV时迅速钝化，而基体在350 mV时才发生钝化，致钝电流密度较基体减小一个数量级。