铝合金压铸模具钢8407表面喷丸处理及其热熔损、热疲劳性能研究

摘要

为了提高铝合金压铸模具钢8407热熔损、热疲劳性能，延长模具的使用寿命，本课题对其在表面进行喷丸处理的基础上，采用离子渗氮处理、蒸汽氧化处理，在表面产生一层性能更优良的表面处理层。本文对喷丸处理以及其对后续表面处理的影响进行了研究。通过扫描电子显微分析技术、透射电子显微分析技术、X射线应力分析系统、X射线衍射分析技术和显微硬度试验，对喷丸处理后表面形貌、亚表面显微结构、表面残余应力、冲击性能以及其对后续离子渗氮处理得到的渗氮层的性能进行了较详细的分析；同时应用显微金相技术、体视显微镜技术、电子分析天平及X射线应力分析系统等，分别对8407钢各种表面处理后表面层的结构以及它们对热熔损、热疲劳性能的影响进行了探讨，提出了合适的表面处理工艺。此外还研究了喷丸处理对热疲劳裂纹的萌生、发展及最终形态的影响。研究的结果如下所示： 1 喷丸表面位错密度高，位错密集分布于整个晶粒内部，并形成胞状结构。 2 喷丸强化后8407钢表面存在较大的残余应力场。喷丸表面残余应力处在-500MPa左右，而且在次表面层残余应力随着深度的增加而增大，在距离表面一定距离处存在着一个最大值-578MPa，过此处后残余应力随着深度的增加而逐渐减小，最大残余应力场深度约为30 μm。 3 喷丸处理可以大大提高等离子渗氮的效率。在相同条件下可以获得更厚，性能更好的渗氮层。喷丸处理促进蒸汽氧化氧化膜的形成。 4 离子渗氮处理、蒸汽氧化处理和复合处理均能提高试样的抗熔损性能，喷丸处理对材料热熔损性能的影响不大。不同表面处理后8407钢的熔损抗力由大到小依次为：喷丸+离子渗氮+蒸汽氧化2h>离子渗氮+蒸汽氧化2h>喷丸+蒸汽氧化2h>蒸汽氧化2h>蒸汽氧化1h>蒸汽氧化4h>喷丸+离子渗氮>离子渗氮>喷丸处理≈无表面处理。喷丸后再进行后序处理有利于提高8407钢的抗熔损性能。 5 经过蒸汽氧化处理、喷丸+蒸汽氧化处理、离子渗氮处理、喷丸+离子渗氮处理试样在熔损过程中，试样表面出现深的圆点状的凹坑，严重时表面处理层成片剥落造成局部整片熔损。氮氧复合处理和喷丸+氮氧复合处理的试样在熔损过程中成薄片状熔损，表面熔损均匀，体现出良好的抗熔损性能。 6 不同表面处理后8407钢的热疲劳抗力由大到小依次为：喷丸处理>喷丸+离子渗氮+蒸汽氧化2h≈离子渗氮+蒸汽氧化2h≈喷丸+蒸汽氧化2h≈蒸汽氧化1h≈蒸汽氧化2h≈蒸汽氧化4h≈无表面处理>喷丸+离子渗氮>离子渗氮。喷丸处理可改善后续表面处理后8407钢的热疲劳性能。 7 喷丸处理后8407钢表面热疲劳裂纹的形态发生改变，凡经过喷丸处理的材料表面裂纹没有方向性，细致短小，均匀弥散地分布于整个试样上。 8 喷丸处理试样的压应力释放较缓慢，使较高的残余压应力能保持更长的时间。 9 喷丸+离子渗氮处理试样表面的残余应力比单一离子渗氮处理的大。在热疲劳试验过程中，离子渗氮处理试样和喷丸+离子渗氮处理试样应力状态恶化得比无表面处理的快。喷丸后再进行渗氮处理的试样与离子渗氮处理试样相比，其抵抗冷热交变载荷所产生的拉应力的能力更强。 10 8407钢热疲劳性能受材料表面状态的影响。喷丸处理减慢了裂纹萌发和扩展的速度，形成利于疲劳性能的网状裂纹。 11 对于铝合金压铸模具钢8407而言，离子渗氮+蒸汽氧化处理和喷丸+离子渗氮+蒸汽氧化处理的表面处理方法为最佳处理工艺。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1铝合金压铸模具钢的发展

1.1.1 H13钢

1.1.2 8407钢

1.1.3 DIEVAR钢

1.2铝合金压铸模具钢的服役条件及性能要求

1.3铝合金压铸模具的失效形式

1.3.1铝合金压铸模具的焊合熔损现象

1.3.2热疲劳现象

1.4表面工程在模具钢上的研究和应用

1.4.1表面处理对热熔损性能和热疲劳性能的影响

1.4.2蒸汽氧化处理

1.4.3离子渗氮处理

1.4.4喷丸处理

1.4.5复合处理

1.5本课题的研究方向、目的及意义

第二章试验方法

2.1 试验材料

2.2热处理方法

2.3试验设备

2.3.1喷丸处理设备

2.3.2等离子渗氮设备

2.3.3热熔损设备

2.3.4热疲劳设备

2.3.5检测设备

2.4试验方法

2.4.1表面处理方法

2.4.2热熔损试验方法

2.4.3热疲劳试验方法

2.4.4性能检测

第三章8407钢表面喷丸研究

3.1 引言

3.2 8407钢表面喷丸后的效果观察

3.2.1表面形貌

3.2.2亚表面显微结构

3.2.3残余应力

3.3喷丸对8407钢等离子渗氮处理的影响

3.4喷丸对8407钢冲击性能的影响

3.5本章小结

第四章表面处理对8407钢热熔损性能的影响

4.1前言

4.2表面处理

4.2.1表面处理结果

4.2.2 结果分析

4.3热熔损试验结果

4.3.1熔损后试样宏观形貌观察

4.3.2熔损失重试验结果

4.4分析与讨论

4.4.1试样表面形貌观察结果

4.4.2喷丸处理对氧化膜结合力的影响

4.5本章小结

第五章表面处理对8407钢热疲劳性能的影响

5.1 引言

5.2热疲劳试验结果

5.2.1热疲劳性能比较

5.2.2试验结果小结

5.3分析与讨论

5.3.1热疲劳过程中应力变化规律

5.3.2喷丸处理对材料疲劳裂纹的影响

5.4最佳表面处理工艺

5.5本章小结

第六章结论

参考文献

作者在攻读学位期间公开发表的论文

作者在攻读学士学位期间所作的项目

致谢