含钛GDL-4工具钢的组织与性能

论文摘要

本文在高合金GDL-4工具钢的基础上,初步研究了添加钛元素对GDL-4材料性能的影响。并对新型含钛GDL-4高碳低合金钢的耐磨性与GDL-4高合金高速钢及传统的高合金高速钢W6Mo5Cr4V2（M2）进行了对比性分析。对含钛GDL-4及其渗氮后TiAlN涂层的表征、膜基结合强度、力学性能和耐磨性等方面进行了研究。并从材料硬度、摩擦系数、显微组织等方面分析了耐磨性能变化的原因。新型含钛GDL-4钢含钛0.5%,以Si、Cr、Mn、W等为主加元素,添加少量的Mo、V及微量的稀土元素组成,该钢经淬火+高温回火后硬度达HRC60-65。在常温和400℃温度以内的力学性能与传统高速钢相当,而材料成本只相当现有高速钢的1/3。X射线衍射分析结果表明:含钛GDL-4钢的残余奥氏体含量9.5%,与M2（含量10%）相当,比GDL-4（含量13.6%）低。对材料表面显微硬度进行了测定,载荷为50g加载时间为15s时。含钛GDL-4硬度值为HV852～924,M2为HV870～930,两者相当并且高于GDL-4（HV796～883）。新型含钛工具钢GDL-4已达到了工具钢使用要求。在相同涂层工艺下,新型含钛工具钢GDL-4TiAlN涂层的膜基结合强度,与M2对比结合强度相同。含钛GDL-4直接涂层膜厚为4.1-4.4μm,渗氮后TiAlN涂层膜厚度值为4.1-4.5μm,与M2涂层膜厚度值4.1-4.6μm基本相同。该钢渗氮后表面硬度达到HV1362,TiAlN涂层时形成良好的硬度过渡梯度,具有高的膜基结合强度,涂层硬度达到HV2305-2377,明显高于该钢直接涂层（HV2177-2216）及M2直接涂层（HV 2216-2257）的硬度。X射线残余应力分析表明:试样涂层后表面产生了残余压应力,渗氮后PVD涂层样为-347MPa,M2PVD涂层样为-336MPa,两者都比含钛GDL-4直接PVD的残余压应力（-309MPa）大。通过对GDL-4、含钛GDL-4和M2的耐磨性试验发现,在300N加载至500N范围内,摩擦系数基本不变。对M2和含钛GDL-4及其渗氮后TiAlN涂层的耐磨性试验发现,摩擦系数都随载荷的增大有所增高,含钛GDL-4直接PVD试样的摩擦系数随载荷波动较大,而渗氮涂层样与M2试样的变化较小。两种状态下摩擦系数产生差别的原因是磨损机理发生了变化。从未涂层试样磨损量来看,含钛GDL-4在1100℃淬火并进行540℃三次回火后,在300N、400N载荷时小于M2淬火回火试样,在500N时二者相当,并明显低于无钛GDL-4。含钛GDL-4渗氮涂层后磨损量在300N稍高于M2试样,400N时两者相当,而500N时优于M2试样。并且二者在三种载荷下均低于含钛GDL-4直接涂层试样。含钛GDL-4渗氮PVD涂层的磨损量与M2PVD涂层相当,明显小于含钛GDL-4直接PVD涂层的磨损量。从加载磨损180min后表面形貌分析,未涂层以犁沟式磨粒磨损为主,磨损较为严重,其犁沟效应随着载荷的增大而增加;涂层磨损失效为层状剥落和轻微的塑性变形共同作用的结果,与M2TiAlN涂层相同,涂层样的粘着现象也随着载荷的增大而增加,犁沟效应出现相反的变化趋势。磨损机理变化的原因主要是由于配对摩擦副变化引起的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 高速钢概述
• 1.1.1 高速钢的发展史及现状
• 1.1.2 我国高速钢的发展状况
• 1.2 PVD技术在工具钢中的应用及其发展趋势
• 1.2.1 PVD技术的分类及特点
• 1.2.2 涂层材料及其发展趋势
• 1.3 摩擦和磨损的简介
• 1.3.1 摩擦磨损概述
• 1.3.2 磨损的过程
• 1.3.3 磨损的阶段
• 1.3.4 摩擦磨损的分类
• 1.4 本文研究背景及主要工作
• 1.4.1 本文研究背景
• 1.4.2 主要工作
• 第二章 实验材料和研究方法
• 2.1 实验材料及热处理工艺
• 2.1.1 试样材料尺寸
• 2.1.2 GDL-4高速钢的锻造热处理工艺
• 2.2 TiAlN涂层的制备
• 2.2.1 涂层前处理
• 2.2.2 涂层工艺
• 2.2.3 涂层的表征
• 2.3 摩擦磨损实验
• 2.3.1 摩擦磨损实验设备
• 2.3.2 摩擦磨损试验
• 2.4 含钛GDL-4工具钢组织观察及力学性能测试
• 2.4.1 金相组织观察
• 2.4.2 硬度测定
• 2.4.3 残余应力及残余奥氏体的测定
• 第三章 试样性能与分析
• 3.1 材料的硬度分析
• 3.1.1 含钛GDL-4钢和M2钢的硬度测量结果
• 3.2 渗氮层性能分析
• 3.2.1 显微组织和相组成
• 3.2.2 渗氮层硬度测量结果与分析
• 3.3 涂层表征性能结果
• 3.3.1 涂层厚度测量结果
• 3.3.2 涂层硬度测量结果及分析
• 3.3.3 涂层膜基结合强度度测量结果及分析
• 3.4 残余奥氏体及残余应力测试结果及分析
• 3.4.1 基体残余奥氏体结果及分析
• 3.4.2 PVD涂层残余应力结果及分析
• 第四章 摩擦磨损试验结果及分析
• 4.1 未涂层试样摩擦磨损试验
• 4.1.1 磨损量测量结果
• 4.1.2 磨损机理分析
• 4.1.3 摩擦系数曲线分析
• 4.1.4 影响未涂层试样磨损的因素
• 4.2 涂层试样摩擦磨损试验
• 4.2.1 磨损量测量结果
• 4.2.2 涂层试样磨损机理分析
• 4.2.3 摩擦系数曲线
• 4.2.4 影响涂层试样磨损的因素分析
• 4.3 涂层试样与未涂层式样的磨损性能比较
• 4.3.1 涂层试样和未涂层试样磨损机理的差异
• 4.3.2 涂层试样和未涂层试样摩擦系数变化
• 4.3.3 磨损量的影响因素变化
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录