钨钼镝表面稀土高速钢的磨损特性及机理研究

摘要

高速钢具有独特的红硬性以及优异的耐磨性，可用于制造各种刀具、模具、耐热耐磨零部件等。但由于高速钢成分复杂，生产工艺特殊，价格昂贵，限制了其应用。采用双层辉光等离子渗金属技术（以下简称双辉等离子渗金属技术），在碳钢表面渗入钨、钼、稀土元素，再经过后续热处理工艺（渗碳+淬火+回火）可形成近于普通高速钢合金含量及硬度水平的表面稀土高速钢层，较大幅度地降低了生产成本，具有广阔的应用前景。
　　本课题对 Q235钢表面进行双辉等离子钨-钼-镝三元共渗，通过分析工作气压、试样温度、保温时间等工艺参数对合金渗层厚度的影响，确定出满足课题研究需要合金渗层厚度的优化工艺参数。在此基础上探讨不同后续热处理工艺对钨钼镝合金层的成分、微观组织、硬度、抗回火稳定性和红硬性的的影响。采用 HSR-2M型往复摩擦磨损试验机和HT-500型高温摩擦磨损试验机对不同淬火温度的钨钼镝表面稀土高速钢试样、钨钼表面高速钢试样和4Cr13钢强化试样进行摩擦对比试验，探讨淬火工艺，稀土的添加，摩擦条件（包括载荷，摩擦速度，摩擦温度）对表面稀土高速钢耐磨性能和磨损机理的影响。试验结果如下：
　　1、对 Q235钢进行渗金属的研究结果表明，渗金属工艺与合金层厚度及元素含量之间存在明显的对应关系，最佳渗金属工艺范围为：源极电压850~900 V；阴极（试样）电压500~600 V；极间距20mm，工作气压30 Pa；试样温度1050℃，保温时间4.5 h。所得钨钼镝合金层厚度约为73μm，表面[W]当量为24.73％，表面含碳量为5.03 wt%，镝含量2.31 wt%。
　　2、后续强化热处理工艺对表面稀土高速钢的微观组织及结构有明显影响。淬火温度升高，使更多的碳化物溶入奥氏体中，影响回火后的碳化物组织和复合硬度、红硬性。钨钼镝表面稀土高速钢的最优强化热处理工艺为1050℃淬火，油冷后进行550℃回火。此时表面稀土高速钢层主要有M6C、M2C、MC型碳化物及稀土碳化物，碳化物均呈颗粒状，且尺寸最小（≤1μm），间距最短（约2~3μm）；经过二次硬化表面硬度达到1153 HV0.05，略高于其淬火硬度；红硬性为855.5 HV0.05。
　　3、通过往复摩擦试验，对比三种淬火工艺的钨钼镝表面稀土高速钢、钨钼表面高速钢和强化4Cr13钢的摩擦磨损行为，发现1050℃淬火的表面稀土高速钢在不同载荷（10~40 N）和不同摩擦速度（5、8 m/min）下都具有最佳耐磨性，其摩擦系数，磨痕深度和宽度，磨损量都明显低于其他试样。说明稀土元素的加入可以提高表面高速钢的耐磨性，且经过1050℃淬火的表面稀土高速钢的耐磨性能最好。在往复摩擦过程中，随载荷增加，表面稀土高速钢试样的磨损形式由轻微的擦伤磨损转变为磨粒磨损为主，伴有粘着磨损，但在高载荷下，磨痕表面生成氧化物，可起润滑作用，降低粘着磨损的危害。
　　4、对三种淬火工艺的钨钼镝表面稀土高速钢、钨钼表面高速钢和强化4Cr13钢在200~500℃范围内的高温摩擦磨损特性进行试验研究。钨钼镝表面稀土高速钢的摩擦系数和磨损量随摩擦温度的升高先增大后减小，当载荷从5N提高到10N，摩擦系数降低但磨损量提高，说明表面稀土高速钢更适应于高温低载的摩擦工况，其中，又以1050℃淬火表面稀土高速钢的高温耐磨性最好。在相同实验条件下，钨钼表面高速钢、强化4Cr13钢的高温耐磨性低于表面稀土高速钢的。摩擦温升高，摩擦面氧化和软化更易发生，但稀土的作用使表面稀土高速钢强韧性好，不易发生塑性变形或脆性断裂，有效支撑氧化层发挥其润滑作用，在高温下表面稀土高速钢只发生磨粒磨损和氧化磨损。

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第一章 绪 论

§1.1 高速钢的应用与发展

§1.2 材料的摩擦磨损

§1.3 表面工程技术

第二章 课题的提出与研究内容

§2.1 课题的研究背景

§2.2 课题的主要研究内容

§2.3 课题的技术路线

§2.4 课题的可行性分析

§2.4 课题的创新性

第三章 钨钼镝表面稀土高速钢的制备工艺

§3.1 实验材料

§3.2 实验和检测设备

§3.3钨钼镝合金层的制备工艺

§3.4钨钼镝表面稀土高速钢的复合强化热处理工艺

§3.5本章小结

第四章 钨钼镝表面稀土高速钢的摩擦性能

§4.1摩擦实验

§4.2淬火温度对钨钼镝表面稀土高速钢耐磨性的影响

§4.3稀土的添加对钨钼镝表面稀土高速钢耐磨性的影响

§4.4摩擦速度对钨钼镝表面稀土高速钢耐磨性的影响

§4.5本章小结

第五章 钨钼镝表面稀土高速钢的高温摩擦性能

§5.1高速钢的高温摩擦磨损研究

§5.2高温摩擦实验

§5.3淬火温度对钨钼镝表面稀土高速钢高温耐磨性的影响

§5.4稀土的添加对钨钼镝表面稀土高速钢高温耐磨性的影响

§5.5载荷对钨钼镝表面稀土高速钢高温耐磨性的影响

§5.6本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果