新型铸造热锻模具钢高温磨损行为的研究

论文摘要

本文全面系统地研究了铸造热锻模具钢合金成分、组织和性能等对高温氧化磨损的影响规律和作用机制,同时深入探索了高温氧化磨损理论,建立了氧化磨损磨损率-氧化物剥落方式-基体组织和强韧性的关系,揭示了铸造热锻模钢的高温氧化磨损机理,对当前的Quinn、Wilson等氧化磨损理论给予了补充,较好地解释了磨损率与基体组织和韧性的密切关系。采用不同于传统以提高韧性为依据的合金成分设计理念,提出了以提高高温耐磨性为铸造热锻模具钢合金设计的依据,根据钢的合金元素作用机制和铸造热锻模具钢高温磨损机理,对铸造热锻模具钢合金成分参数进行了优化设计,成功地研制出了新型高耐磨铸造热锻模具钢—NCDS（New Casting Die Steel）。给出了合金元素和显微组织对铸造热锻模具钢高温磨损的影响规律和机制,合金元素按提高耐磨性显著影响程度排列顺序为:V、Cr、RE、C、Mo,过量Mo、RE显著地恶化高温耐磨性。贝氏体和马贝复相组织高温耐磨性高于马氏体组织,回火屈氏体的高温耐磨性高于回火马贝和回火索氏体。给出了铸造热锻模具钢的高温氧化磨损机理:在基体中无较大第二相的情况下Quinn、Wilson等理论适用,磨损率几乎与基体的组织和韧性无关,氧化物膜剥落方式为膜内剥落或氧化物膜在其与基体的界面处剥落;在基体中有较大第二相的情况下Quinn、Wilson等理论适用性差,在基体与粗大第二相的界面处萌生裂纹,并在基体内扩展,导致基体与其上氧化物膜一同剥落,这时磨损率与基体组织和韧性密切相关。提出了高温氧化磨损的物理模型,建立了氧化磨损率与基体组织和强韧性的关系;并推导出相应的磨损率公式。成功地研制出强韧性高的NCDS钢,其高温磨损率明显低于国产H13和3Cr2W8V锻钢,仅为国产H13锻钢的1/3～1/5,与进口H13锻钢相当。本研究为铸造热锻模具钢的广泛应用提供了基础数据和依据。

论文目录

• 提要
• 第1章 绪论
• 1.1 选题意义
• 1.2 热锻模具的精铸及优势
• 1.2.1 铸造热锻模具与机加工热锻模具的制造工艺过程
• 1.2.2 铸造热锻模具的工艺优势
• 1.2.3 铸钢与锻钢性能上的差异
• 1.3 铸造热锻模具钢的研究与应用
• 1.3.1 铸造热锻模具国内外应用状况
• 1.3.2 铸造热锻模具钢的研究
• 1.3.3 目前铸造热锻模应用中存在的问题
• 1.4 高温磨损的研究进展
• 1.4.1 金属的磨损
• 1.4.2 钢的高温氧化磨损研究
• 1.4.3 钢的氧化磨损理论
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第2章 实验方法
• 2.1 实验材料及制备
• 2.1.1 实验材料及原材料
• 2.1.2 制备工艺
• 2.2 高温磨损实验
• 2.3 性能测试
• 2.3.1 硬度
• 2.3.2 冲击韧性
• 2.4 微观分析
• 第3章 合金元素对铸造热锻模具钢显微组织和力学性能的影响
• 3.1 铸造热锻模具钢的淬火组织
• 3.2 铸造热锻模具钢的回火组织
• 3.3 合金元素对显微组织的影响
• 3.4 合金元素对铸造热锻模具钢硬度和冲击韧性的影响
• 3.5 本章小节
• 第4章 合金元素对铸造热锻模具钢高温氧化磨损性能的影响
• 4.1 碳对高温氧化磨损性能的影响
• 4.1.1 碳含量对硬度和磨损率的影响
• 4.1.2 铸造热锻模具钢的磨损形貌及分析
• 4.2 铬对高温氧化磨损性能的影响
• 4.2.1 铬含量对硬度和磨损率的影响
• 4.2.2 铸造热锻模具钢的磨损形貌及分析
• 4.3 钼对高温氧化磨损性能的影响
• 4.3.1 钼含量对硬度和磨损率的影响
• 4.3.2 铸造热锻模具钢的磨损形貌及分析
• 4.4 钒对高温氧化磨损性能的影响
• 4.4.1 V/C对硬度和磨损率的影响
• 4.4.2 铸造热锻模具钢磨损形貌及分析
• 4.5 RE对高温氧化磨损性能的影响
• 4.5.1 RE加入量对硬度和磨损率的影响
• 4.5.2 铸造热锻模具钢的磨损形貌及分析
• 4.6 Ti, Nb对高温氧化磨损性能的影响
• 4.6.1 Ti, Nb加入量对硬度和磨损率的影响
• 4.6.2 铸造热锻模具钢的磨损形貌及分析
• 4.7 本章小节
• 第5章 铸造热锻模具钢不同组织对高温氧化磨损性能的影响
• 5.1 淬火组织对高温磨损性能的影响
• 5.1.1 淬火组织对高温磨损率的影响
• 5.1.2 不同组织铸造热锻模具钢的磨损形貌及分析
• 5.2 回火组织对高温磨损性能的影响
• 5.2.1 回火组织和硬度对高温磨损率的影响
• 5.2.2 铸造热锻模具钢的磨损形貌及分析
• 5.3 铸态组织与锻态组织耐磨性对比
• 5.3.1 热锻模具铸钢和锻钢的磨损率
• 5.3.2 铸钢和锻钢的磨损形貌及分析
• 5.4 本章小节
• 第6章 铸造热锻模具钢的高温氧化磨损机理
• 6.1 试验环境对高温磨损行为的影响
• 6.1.1 环境温度对高温磨损率和摩擦系数的影响
• 6.1.2 载荷对高温磨损率和摩擦系数的影响
• 6.1.3 滑动速度对高温磨损率和摩擦系数的影响
• 6.2 磨损表面和磨屑的形貌、成分和结构分析
• 6.2.1 磨损表面的形貌
• 6.2.2 磨损表面成分分析
• 6.2.3 磨损表面结构分析
• 6.2.4 磨屑的形貌、成分和结构
• 6.3 铸造热锻模具钢的高温氧化磨损机理分析
• 6.3.1 高温磨损过程中磨损表面的氧化
• 6.3.2 高温氧化磨损过程中氧化物膜形态
• 6.3.3 高温氧化磨损过程中氧化物膜的剥落
• 6.4 铸造热锻模具钢的高温氧化磨损机理
• 6.4.1 高温氧化磨损物理模型建立
• 6.4.2 高温氧化磨损率数学式推导
• 6.5 本章小节
• 第7章 新型高耐磨铸造热锻模具钢合金成分设计优化
• 7.1 合金成分设计对铸造热锻模具钢高温耐磨性的影响规律
• 7.2 NCDS 钢的合金成分参数优化
• 7.3 NCDS 钢的高温磨损性能
• 7.3.1 NCDS 钢的高温磨损率
• 7.3.2 磨面的形貌和能谱分析
• 7.4 本章小节
• 第8章 结论
• 参考文献
• 攻博期间发表的学术论文及其它成果
• 致谢
• 摘 要
• Abstract