热作模具钢（H13型）表面处理及其热疲劳、热熔损性能研究

摘要

采用表面处理、表面改性技术，提高热作模具相关的服役性能。这是当前热作模具研究、应用领域中最热门的方向之一。 针对热作模具钢的表面氧化处理，本文开发了一种带蒸汽预热装置的氧化处理炉，这种炉型现已应用于工业生产。该炉型的蒸汽盘箱管、蒸汽室等各种结构设计使蒸汽能充分预热、并稳定地通入氧化炉中，保证了模具钢氧化工艺顺利实施，及设备的可靠性、安全性。试图将蒸汽氧化和气体氮化结合在单一的热处理炉中的尝试并没有成功。因此，本文中的氧化试样主要在专门设计的氧化炉中进行，氮化则是在等离子渗氮炉中进行。 结合热力学计算和具体试验研究了H13钢的表面氧化行为。采用Thermal-Calc软件计算了500℃至700℃温度范围内不同氧分压条件下H13表面形成的氧化物物相组成及其变化。在上述温度范围内，试验研究了H13钢分别在0.2MPa蒸汽流、0.1MPa的空气、O.001MPa的低压空气条件下的氧化膜组织。发现低压空气条件下形成的氧化膜的微观组织和物相更接近蒸汽条件下形成的氧化膜，而与常压空气下形成的氧化膜有明显差异。 热力学计算表明，高氧分压有助于Fe2O3相的生成，而低氧分压有助于Me3O4相的生成。高氧分压下完整的致密Fe2O3层的快速形成将阻碍各种原子的向内扩散，从而抑制Me3O4相的生成。因此，在适当的低氧条件下H13钢的氧化显著快于空气条件下的氧化。除了适当的氧分压，H13钢在蒸汽条件中的氧化机制更为复杂，还与氧离子的短程扩散有关。计算表明，同Fe2O3和Fe3O4相一样，尖晶石相FeCr2O4，FeV2O4，Fe2SiO4也是H13钢氧化膜的主要组成相。 蒸汽氧化和等离子氮化复合试验和研究表明，H13钢的表面预氧化无助于随后的等离子氮化。等离子氮化过程中，蒸汽氧化膜将逐步减薄、直到消失后氮才开始渗入。等离子渗氮将使H13钢在随后蒸汽氧化中的氧化速度显著增加，这要归因于等离子的轰击活化作用和由此引起蒸汽条件下氧的快速扩散。试验发现，等离子渗氮形成的氮化物层，在随后的氧化过程中将逐步转变为氧化物，这将减小热作模具服役过程中的热裂纹形成倾向。因此等离子氮化及氧化复合工艺，对那些既要求高强度抵抗塑性变形、又要求高韧性抵抗热疲劳的热作模具将是合理的选择，该工艺在重载锻模上的应用相当成功。 根据Uddeholm方法，采用自约束试样，研究了不同表面处理H13钢试样在室温至700℃热循环温度范围内的热疲劳性能。表面处理工艺包括等离子氮化、等离子硫氮碳共渗，渗硼和氧化等。研究表明，热循环过程中的应力变化对热疲劳裂纹萌生和发展起到至关重要的影响。热循环过程中，表面无硬化膜的H13钢试样的残余压应力的减小是缓慢的，并倾向于形成均匀分布的微裂纹；而表面有硬化膜的H13钢试样的高残余压应力的降低速度很快。通常，由表面化合物层上的热裂纹引起的应力的不均匀分布，将是主裂纹扩展的重要因素。经优化的氮扩散层由于提高了强度、控制了韧性的下降，从而赋予H13钢更好的热疲劳性能。未发现单一氧化处理对H13钢的热疲劳性能有明显影响。 分别采用静态静置、动态旋转的热浸熔融ADC12铝合金熔液的方法，对表面经蒸汽氧化和未氧化的H13钢试样的热熔损抗力进行了对比研究。采用失重法研究了熔液温度、热浸时间、试样表面状态的影响。H13钢熔损试样上包覆的Fe-Al金属间化合物外侧的化合物、铝合金组成的复合层的厚度对H13钢的熔损有重要影响。熔液温度的下降，或热浸时间的延长将导致复合层的增厚，而减缓铝元素的扩散，从而降低熔损速度。动态旋转试验中，铝合金熔液的相对快速运动将加快侵蚀作用并减薄复合层厚度，导致快速熔损。同PVD陶瓷涂层一样，H13钢试样表面的氧化膜同样通过隔离作用减缓熔损。当氧化膜被熔融铝合金润湿、消耗后，其功能就丧失了。

目录

文摘

英文文摘

第一章文献综述

1.1热作模具钢性能要求及其失效形式

1.2热作模具钢强韧化途径

1.2.1优化合金元素配比

1.2.2纯净钢冶炼和组织均匀化技术的开发与应用

1.2.3热处理对热作模具钢强韧性的影响

1.3表面工程在热作模具钢上的研究和应用

1.3.1涂层技术

1.3.2渗氮技术

1.3.3其它表面处理

1.4本文研究内容

1.5参考文献

第二章H13钢蒸汽氧化处理设备的研制

2.1 H13钢氧化及氧氮复合处理的意义

2.1.1钢铁材料的氧化及其应用

2.1.2钢铁材料氮化及氧氮处理的应用

2.2氧氮复合处理炉的设计和制造

2.2.1预抽真空蒸汽氧化及氧氮复合处理试验

2.2.2 H13钢氧氮热处理炉的研制

2.3 小结

2.4参考文献

第三章H13钢蒸汽氧化工艺、组织和性能研究

3.1 H13钢氧化热力学分析

3.1.1金属氧化原理

3.1.2氧化热力学计算

3.2 H13钢蒸汽氧化研究方法

3.2.1试验材料

3.2.2试验内容

3.2.3研究和分析方法

3.3 H13钢氧化膜组织分析结果

3.3.1组织和形貌

3.3.2成分分布

3.3.3物相组成

3.4 H13钢氧化动力学试验结果

3.5 H13钢氧化膜的力学性能分析结果

3.5.1显微压痕试验

3.5.2力学探针与纳米硬度试验

3.5.3拉伸试验

3.6讨论

3.6.1 H13钢蒸汽氧化膜相组成

3.6.2 H13钢蒸汽氧化机制

3.6.3 H13钢蒸汽氧化膜力学性能

3.7小结

3.8参考文献

第四章H13钢氮氧复合工艺试验研究

4.1概述

4.2试验内容和方法

4.2.1 H13钢氧氮复合处理

4.2.2 H13钢氮氧复合处理

4.2.3空气中H13钢的氧化

4.3试验结果和分析

4.3.1 H13钢氧氮复合处理

4.3.2 H13钢氮氧复合处理

4.3.3空气氧化条件下的H13钢氧化膜

4.4讨论

4.4.1影响H13钢氧化机制的因素分析

4.4.2 H13钢热作模具表面氮氧复合处理机制及其可行性

4.5小结

4.6参考文献

第五章表面处理对H13钢热疲劳性能的影响

5.1模具钢热疲劳性能和研究方法

5.1.1影响模具钢热疲劳性能的因素

5.1.2模具钢热疲劳性能研究方法

5.2不同表面处理H13钢的热裂行为研究

5.2.1热疲劳龟裂和应力分析试验

5.2.2试验结果和分析

5.2.3讨论

5.2.4小结

5.3氧化处理对H13钢热疲劳行为的影响

5.3.1试验方法和过程

5.3.2试验结果和分析

5.3.3小结

5.4参考文献

第六章蒸汽氧化处理H13钢的热熔损性能

6.1热熔损概述

6.2热熔损试验方法和过程

6.2.1试验材料和装置

6.2.2静态熔损试验

6.2.3动态熔损试验

6.3热熔损试验结果和分析

6.3.1静态热熔损性能

6.3.2动态热熔损性能

6.4讨论

6.4.1 H13钢铝热熔损机制

6.4.2静态与动态熔损性能分析

6.4.2氧化膜的抗熔损特点和作用

6.5 小结

6.6参考文献

第七章表面氮氧处理在气门热锻模上的应用

7.1简况

7.2氧氮处理的应用

7.3小结

第八章总结

作者攻读学位期间公开发表的学术论文、专著、科技成果

致谢