h13鋼低溫離子滲氮工藝研究

h13鋼低溫離子滲氮工藝研究

近年來，由于處理后零件的小變形和環(huán)境良好，陽離子滲氮引起了人們的關注。等離子體離子滲氮是一種化學熱處理方法,它能改變不同工程材料的表面性能,例如:抗磨損性、抗腐蝕性和疲勞強度表面機械研磨處理(SMAT)是在外加載荷的反復作用下,金屬材料表面的晶粒通過不同方向產生的強烈塑性變形而逐漸細化至納米量級。盧柯等人在本研究中將SMAT工藝應用于H13熱作模具鋼,并進行離子滲氮處理。使用光學顯微鏡、X射線衍射儀和顯微硬度計表征了低溫滲氮層的橫截面微觀組織、物相及其截面硬度;并使用自約束冷熱疲勞試驗設備測試了其熱疲勞性能,以研究低溫滲氮工藝的適用性。1試樣加工和分析方法本研究選用商用AISIH13熱作模具鋼,其合金元素成分見表1。經1050℃真空淬火以及610℃×2h兩次回火后得到硬度為46HRC。將熱處理后的材料進行SMAT處理并線切割成14mm×14mm×5mm的試樣小塊。SMAT處理時,鋼球直徑為8mm,處理頻率50Hz,時間為45min。將SMAT和拋光試樣置于LD-3000-8型離子滲氮爐中,在420℃下滲氮4h。滲氮氣氛為氨氣,流量為40～60mL/min,爐內氣壓400～500Pa。H13鋼的熱疲勞試樣加工成如圖1所示的標準Uddeholm熱疲勞試樣采用HITACHIS-570型掃描電子顯微鏡和JEM-100CX型透射電子顯微鏡分別觀測表面機械研磨處理后試樣表層塑性變形層的組織形貌以及試樣亞表層的顯微組織;利用光學顯微鏡對滲氮層進行觀察;利用D-2200型X射線衍射儀對試樣表面進行物相分析;利用MH-3型顯微硬度計測量滲氮層的硬度變化,載荷砝碼為100g。22.1研磨+機械研磨法圖2(a)是H13鋼經表面機械研磨處理后橫截面的SEM照片,可以看出SMAT這種塑性變形方式能在H13鋼表面產生一層強烈塑性變形層,其厚度約為10μm。圖2(b)是H13鋼經表面機械研磨處理后表層組織TEM暗場像,可以明顯地看到圖中晶粒的平均尺寸遠小于100nm,達到了納米級。已有研究2.2白亮層厚度比圖3為SMAT和拋光試樣經過420℃離子滲氮4h后的顯微組織。比較放大200倍的圖3(a)和圖3(b),發(fā)現(xiàn)滲氮層厚度有著明顯的差別,拋光試樣的白亮層厚度約為4μm,SMAT試樣白亮層厚度更厚,約為7.5μm,且總滲層厚度優(yōu)于拋光試樣。這是由于SMAT在試樣表面產生了一層強烈塑性變形的納米晶粒層,在此層中有大量的晶界和缺陷,晶界為氮原子的擴散提供了快速通道,缺陷中儲存的大量能量降低了氮的擴散激活能,從而有更多的氮原子與鐵形成間隙固溶體,這促進了白亮層的形成,大大加速滲氮過程,增加了滲層厚度。2.3表面x射線衍射分析采用X射線衍射技術對拋光和SMAT試樣等離子滲氮后的表層相結構進行了分析。圖4為拋光和SMAT的H13鋼經420℃×4h離子滲氮后的表面X射線衍射譜。經過分析可知,SMAT和拋光試樣滲氮后表面的組織都是由Fe2.4顯微硬度和滲層深度試樣在420℃下滲氮4h后的截面硬度梯度如圖5所示。兩組試樣的近表面硬度值均達到了1000HV0.1以上,SMAT試樣最外層滲氮層的顯微硬度為1102.5HV0.1,滲層深度約為120μm;拋光試樣滲氮的表層硬度為1032.7HV0.1,滲層深度約為90μm;SMAT試樣滲層的顯微硬度略高,且總滲層的深度大于拋光試樣,有更好的耐磨性。而從趨勢上來看,SMAT的硬度梯度比普通打磨試樣的平緩一些,這是因為表面機械研磨處理后,試樣表層存在大量晶界,利于氮原子向基體擴散。這表明在服役過程中,SMAT的滲氮層與基體的結合力更好,不易剝落以至暴露基體。2.5表面裂紋擴展試驗結果在420℃離子滲氮4h的H13鋼樣品經過1000、2000、3000次循環(huán)的表面熱疲勞裂紋如圖6所示。循環(huán)1000次后的表面裂紋如圖6(a)和(d)所示,SMAT試樣僅出現(xiàn)較多的均勻分布的、較淺的初生裂紋,而拋光已經出現(xiàn)了較明顯的縱向主裂紋源。觀察2000次循環(huán)的表面裂紋如圖6(b)和(e)發(fā)現(xiàn),拋光表面橫縱向裂紋擴展加劇,且有顯著的沿著深度方向開裂趨勢;而SMAT的裂紋寬度緩慢增加,深度方向擴展不明顯。圖6(c)和(f)是循環(huán)3000次后的表面裂紋,拋光試樣主裂紋寬度和數(shù)量明顯增加,并向縱向延伸,在主裂紋之間各種細小裂紋也開始擴展,裂紋密布整個區(qū)域;SMAT的裂紋寬度也較循環(huán)2000次的試樣有所增加,細小裂紋的數(shù)量超過普通打磨面,但無論是主裂紋還是細小裂紋的寬度都不及普通打磨面,且縱向延伸趨勢不大。從圖7觀察試樣的截面裂紋深度情況可以看出,普通打磨面的裂紋普遍比較深,而且表面崎嶇不平,幾處主裂紋尤為深;SMAT面情況則要好很多,基本維持在淺層窄小裂紋,表面狀況也比打磨面的好,基本還能辨認出試驗前的表面位置。利用專門軟件分別計算兩種不同表面的表面損傷因子和截面損傷因子,詳見表2,發(fā)現(xiàn)SMAT面的表面損傷因子比拋光面的略大,但截面損傷因子則遠小于拋光面,并由此使得疲勞損傷因子的數(shù)值小于拋光面,只有拋光面的3/4。3smat試樣的-feXRD結果表明SMAT試樣的γ′-Fe有觀點4顯微硬度和滲層深度1)SMAT處理可以大大提高H13鋼的等離子滲氮效率,增加滲層的厚度。經過SMAT處理后在420℃下滲氮4