真空粉末烧结法在模具钢表面制备的硬质覆层的组织和性能

论文摘要

采用真空粉末烧结的方法，在钢铁材料表面制备硬质覆层是近年来发展的一项表面处理和材料复合新技术。这种方法是将混合后的粉末，涂敷在钢铁材料的表面，经过真空烧结后获得硬质覆层。它的显著优点是制备的覆层厚度较大，结合强度高，生产成本低。本文研究了在45钢、H13钢和W18Cr4V钢表面制备的三元硼化物（Mo2FeB2）基金属陶瓷和硬质合金覆层的组织和性能。用扫描电镜、能谱仪、电子探针、X射线衍射仪和硬度计分析了不同烧结温度对覆层微观组织和界面结构的影响，研究了覆层的形成机制。用特定的拉伸试验方法，精确地测量了覆层和钢基体间的结合强度。根据覆层硬度（HRA）的测定和试样断面上显微硬度（HV）的分布，分析了覆层的强韧性特点。比较了覆层试样和H13钢、W18Cr4V钢的耐磨性，并分析覆层的耐磨机理。测定了H13钢表面覆层试样300℃、500℃和700℃时的高温显微硬度（HV），比较覆层试样和无覆层试样之间热强性的差别。用Uddehole法对H13钢表面覆层试样进行热疲劳试验，分析覆层试样和无覆层试样表面热疲劳裂纹形态、截面上热疲劳裂纹分布及热循环前后表面硬度（HV）的变化，探讨覆层的热疲劳机理。从上述试验结果得出以下结论：三元硼化物基金属陶瓷覆层适宜的烧结温度范围是1220℃～1240℃，组织为Mo2FeB2+α-Fe；硬质合金覆层适宜的烧结温度范围是1280℃～1300℃，组织为WC+α-Fe；覆层和钢基体间产生冶金结合和扩散结合界面，结合强度达到400MPa以上。覆层的HRA值和HV值分别超过80及1000。断面上微观硬度分布在界面两侧变化平缓。覆层的耐磨性高于H13钢、W18Cr4V钢，其磨损的机理是微观切削和塑性变形机理所产生的综合磨损。H13钢表面三元硼化物基金属陶瓷覆层在700℃时，HV值保持1000左右，具有很高的热强性。H13钢表面三元硼化物基金属陶瓷覆层的热疲劳抗力大于H13钢，而H13钢表面硬质合金覆层的热疲劳抗力小于H13钢。前者基于马氏体基体上分布着大量的细小硬质相Mo2FeB2，晶界大量增多，抵抗裂纹扩展的能力得到提高，而后者是因为WC颗粒呈粗大的多角形，容易产生应力集中，裂纹容易形成并扩展。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 模具的失效形式及关键影响因素
• 1.2 模具的表面处理技术
• 1.2.1 电镀和化学镀
• 1.2.2 堆焊、热浸镀
• 1.2.3 热喷涂
• 1.2.4 化学热处理
• 1.2.5 激光表面处理
• 1.2.6 气相沉积
• 1.2.7 离子注入
• 1.3 真空粉末烧结法制备硬质覆层的研究现状和发展前景
• 1.4 项目来源及主要研究内容
• 第2章 覆层材料的选择及制备工艺
• 2.1 三元硼化物基金属陶瓷覆层化学成分的选择
• 2.2 硬质合金覆层材料的化学成分选择
• 2.3 基体材料的选择
• 2.4 覆层试样的准备
• 2.5 覆层的烧结工艺
• 2.5.1 三元硼化物基金属陶瓷覆层的烧结工艺
• 2.5.2 硬质合金覆层的烧结工艺
• 2.6 本章小结
• 第3章 覆层的组织及界面结构
• 3.1 三元硼化物基金属陶瓷覆层的组织及界面结构分析
• 3.1.1 覆层的层貌
• 3.1.2 覆层的显微组织
• 3.1.3 覆层的界面结构分析
• 3.2 硬质合金覆层的组织及界面结构分析
• 3.2.1 覆层的层貌
• 3.2.2 覆层的显微组织
• 3.2.3 覆层的界面结构分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 覆层的结合强度
• 4.1 覆层与基体间界面结合强度的测定方法概述
• 4.1.1 定性检测法
• 4.1.2 定量检测法
• 4.2 硬质覆层和钢基体的结合强度测试
• 4.2.1 试验方法
• 4.2.2 试验结果及分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 覆层的硬度和耐磨性
• 5.1 覆层的硬度
• 5.2 覆层的耐磨性
• 5.2.1 试验方法
• 5.2.2 试验结果及分析
• 5.2.3 磨损机理分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 覆层的高温性能及热疲劳性能
• 6.1 覆层的高温硬度
• 6.2 覆层的热疲劳性能
• 6.2.1 试验方法
• 6.2.2 试验结果及分析
• 6.3 本章小结
• 第7章 结论
• 7.1 本文的研究结论
• 7.2 本文研究的创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录