热作模具钢H13表面改性的研究

摘要

模具的表面改性是利用各种方法在模具表面形成具有一定厚度的有利于提高模具各种性能和延长其服役寿命的表面改性方法。工程上绝大多数零件的失效都是从表面开始的，因此这种新的表面技术对提高模具的性能和服役寿命具有重要意义，因而模具的表面改性被认为是最有前景的表面技术之一。 本文利用直流磁控溅射技术在调质、离子氮化和碳氮共渗处理后的热作模具钢H13表面溅射Cr膜层，采用X-射线衍射仪、原子力显微镜、金相显微镜、电子天平、声发射划痕仪、场发射扫描电子显微镜和显微硬度仪等仪器，系统研究了前期处理对表面膜层的生长机理和特点的影响，同时研究了表面膜层的膜基结合强度，改性后的热疲劳性能，表面Cr膜层的高温抗氧化性能和高温氧化过程中的硬度变化，研究结果表明: (1)H13钢经离子氮化、碳氮共渗和调质处理后直流磁控溅射Cr膜层，膜层在处理后的H13钢表面通过不同结构外延生长，前期处理后H13钢表面的组织结构和粗糙度影响涂层的形核和生长方式、晶粒类型及膜层的性能。 (2)不同前期处理的Cr层均有较好的结合力，调质处理、离子氮化及碳氮共渗后溅射的Cr涂层的膜基结合强度依次增强，Cr膜层和基体的结合强度，受基体表面的组织结构、界面状况、膜层性质和热膨胀系数等多种因素的影响，而膜层的性质和基体前期处理后表面的性质最为重要。 (3)在温度为700℃时，碳氮共渗具有硬度梯度较低，韧性较好的渗层组织，拥有较佳的抗热疲劳性能；调质处理、碳氮共渗后溅射Cr膜层的H13钢，基体与膜层之间存在较大的硬度梯度，且膜层抗塑性变形能力较小；离子氮化的H13钢，化合物层硬而脆；离子氮化后溅射Cr膜层的H13钢，化合物层硬而脆、膜层抗塑性变形能力较小、基体与膜层之间存在较大的硬度梯度以及存在热膨胀性能等的差异，均表现出较差的抗热疲劳性能。 (4)在700℃温度下，前期处理后基体表面的组织结构及所含成分使Cr膜层的抗氧化性能表现出较大差异:离子氮化、调质处理后溅射的Cr膜层，抗氧化性能较差；前期处理为碳氮共渗的Cr膜层有较好的抗氧化性能。 (5)膜层在700℃温度下氧化100小时后，H13钢碳氮共渗后溅射的膜层，由于原子的扩散产生了固溶强化，致使膜层的表面硬度有较大升高；离子氮化及调质后溅射的膜层在高温氧化后膜层已经破裂，膜层的表面硬度较氧化前有较大降低。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1热作模具钢的发展

1.1.1传统的热作模具钢

1.1.2新型热作模具钢

1.2 H13(4Cr5MoSiV1)钢的表面改性

1.2.1表面化学热处理

1.2.2高能束流表面处理

1.3 H13(4Cr5MoSiV1)表面膜层

1.3.1薄膜制备的化学方法

1.3.2表面膜层的性能要求

1.4膜基界面结构与结合机制

1.4.1界面的结构

1.4.2界面的结合机制

1.5表面改性的发展与展望

1.6选题意义和研究内容

第二章H13钢表面溅射Cr膜后的结构

2.1引言

2.2实验方法

2.2.1样品的制备

2.2.2试样所用的表征方法

2.3实验结果与讨论

2.3.1膜层的微观结构特征

2.3.2膜层XRD分析及截面微观形貌

2.3.3薄膜的形核与生长

2.4本章小结

第三章H13钢表面溅射Cr膜的结合强度

3.1引言

3.2实验方法

3.3实验原理

3.4实验结果与讨论

3.4.1结合力与划痕形貌

3.4.2结果与讨论

3.4本章小结

第四章H13钢表面溅射Cr膜后的热疲劳性能

4.1引言

4.2实验方法

4.3实验结果与讨论

4.3.1微观组织形貌

4.3.2显微硬度

4.3.3抗热疲劳性能

4.5本章小结

第五章H13钢表面Cr膜的抗氧化性

5.1引言

5.2实验方法

5.3实验原理

5.3.1氧化的自由能判据

5.3.2氧化膜的完整性

5.4结果与讨论

5.4.1氧化后的增重分析

5.4.2膜层氧化后的微观形貌

5.5本章小结

第六章H13钢溅射Cr膜在氧化中的扩散行为

6.1引言

6.2实验方法

6.3实验结果与讨论

6.3.1结合界面的扩散

6.3.2显微硬度分析

6.4本章小结

第七章结论

参考文献

致谢

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