模具钢表面渗铝工艺及性能研究

论文摘要

H13钢是国际上广泛使用的热作模具钢,主要用于制造各种锻模、热挤压模、铜铝及其合金的热挤压模等。工作时承受较大的冲击载荷,强烈的摩擦,剧烈的冷热交替循环引起的热应力,常出现崩裂、塌陷、磨损、龟裂等失效形式。因此,采用适当的表面改性技术以增强H13钢的高温耐磨损性能及热疲劳性能有重要的现实意义。本文以H13热作模具钢为研究对象,采用粉末渗铝技术在表面得到具有优异性能的Fe-Al合金层,同时采用添加CeO2混合粉末进行渗铝以改善渗层质量。通过对不同工艺条件下的组织形貌分析,渗层厚度及硬度的综合评价得出H13热作模具钢粉末渗铝的最佳工艺为:渗铝温度950℃,保温时间5h,NH4Cl的添加量1%。在最佳工艺下,渗层质量连续致密,单一渗铝厚度最高可达90μm。渗层表层由Fe3Al,FeAl相组成,内层由FeAl相组成。稀土CeO2渗铝工艺试验表明,稀土添加量为0.7%时为最佳,此时渗层厚度可达220μm左右。表层主要由Fe3Al,FeAl,Al3Ce相组成,内层由Fe3Al,FeAl相组成。与H13基体相比,合金化层的硬度有较大提高。硬度的提高主要是合金层中形成大量具有增强效果的Fe3Al,FeAl相;Fe3Al和FeAl金属间化合物相具有较高的高温强度和硬度。对于添加稀土的试样,硬度的提高还在于稀土的细晶强化的作用。在室温下,渗铝试样磨损量要明显低于H13基体,0.7%CeO2渗铝试样磨损量约为单一渗铝试样的1/10,是H13基体的1/40,耐磨性能显著提高;在300℃,400℃,500℃下的高温磨损实验中,渗铝试样抗高温磨损性明显优于基体。当温度升高时,抗高温磨损性能减弱。热疲劳试验结果表明:经过热循环实验后,H13基体表面形成网状裂纹,渗铝试样表面出现少量的短裂纹,渗铝处理后的试样热疲劳性能可得到明显改善,而加稀土渗铝试样的更加优异。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 H13 热作模具钢表面处理技术新进展
• 1.2.1 PVD 处理技术
• 1.2.2 激光表面处理
• 1.2.3 离子注入技术
• 1.2.4 化学热处理
• 1.3 渗铝工艺国内外研究现状
• 1.3.1 热浸渗铝技术
• 1.3.2 粉末渗铝技术特点及优势
• 1.4 稀土在渗铝中的应用
• 1.4.1 稀土的催渗机制
• 1.4.2 稀土元素的微合金化机制
• 1.5 研究的目的及意义
• 1.6 研究内容
• 1.7 技术路线
• 第二章 实验原理及方法
• 2.1 实验原理
• 2.2 FeAl 合金层形成
• 2.3 实验材料及设备
• 2.3.1 实验材料
• 2.3.2 渗铝剂组成
• 2.3.3 渗铝实验设备
• 2.3.4 渗铝实验过程
• 2.4 样品表征
• 2.4.1 光学显微分析
• 2.4.2 扫描电镜和能谱分析
• 2.4.3 XRD 物相分析
• 2.5 性能测试
• 2.5.1 硬度测试
• 2.5.2 耐磨性测试
• 2.5.3 热疲劳性能测试
• 第三章 H13 热作模具钢表面渗铝工艺研究
• 3.1 引言
• 3.2 渗铝工艺参数选取依据
• 3.2.1 影响渗铝层质量的因素
• 3.2.2 工艺参数初步设计
• 3.3 工艺参数对渗铝过程的影响
• 3.3.1 NH4Cl 含量对渗铝层的影响
• 3.3.2 渗铝温度对渗铝层的影响
• 3.3.3 渗铝时间对渗铝层的影响
• 3.4 最优工艺参数
• 3.5 渗铝层组织结构与成分分析
• 3.5.1 截面组织形貌
• 3.5.2 渗层成分分析
• 3.6 XRD 物相分析
• 3.7 硬度测试
• 3.8 本章小结
• 2渗铝工艺研究'>第四章 H13 热作模具钢添加 CeO₂渗铝工艺研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.3 稀土含量对渗铝层形成的影响
• 4.3.1 渗铝试样表面状况
• 4.3.2 渗层组织形貌
• 4.3.3 稀土添加量对渗铝层厚度的影响
• 4.3.4 显微组织分析
• 4.3.5 定点成分分析
• 4.3.6 物相结构分析
• 4.3.7 硬度测试
• 4.4 稀土作用机制探讨
• 4.4.1 稀土催渗渗铝过程热力学分析
• 4.4.2 稀土催渗渗铝过程的动力学分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 渗层性能测试
• 5.1 磨损性能测试
• 5.1.1 引言
• 5.1.2 常温摩擦磨损试验
• 5.1.3 高温摩擦磨损实验
• 5.2 热疲劳性能测试
• 5.2.1 引言
• 5.2.2 热疲劳试验结果
• 5.2.3 热疲劳试验后试样硬度变化
• 5.2.4 热疲劳机理分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果