H13鋼離子氮化及表面沉積CrN基復(fù)合薄膜磨損性能研究.pdf

1、H13鋼作為目前使用最廣泛和最具代表性的熱作模具鋼，服役期間工作條件惡劣，模腔表面受到高溫高速金屬液的反復(fù)沖擊，其主要失效形式熱磨損、熱疲勞及熱沖蝕與材料的表面特性密切相關(guān)，表面強化技術(shù)成為提高模具鋼H13使用壽命的關(guān)鍵技術(shù)之一。
　　 論文采用離子氮化技術(shù)和多弧離子鍍技術(shù)在H13鋼表面形成離子氨化和CrN、CrAlN、CrAlSiN硬質(zhì)薄膜。借助自動圖像分析儀、X射線衍射(XRD)、場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)分析氮化層和薄膜

2、的組織結(jié)構(gòu)和成分；用壓入法在洛氏硬度計和LecoM-400-H1型顯微硬度計測試氮化層和薄膜的顯微硬度和膜基結(jié)合強度；用BDW-3型球-盤磨損試驗機和HT-2001型球-盤磨損試驗機檢測氮化層和薄膜的常溫和高溫耐磨性。
　　 通過改變氮化溫度、時間、氣壓和氮氣混合比可得到不同厚度和相組成的氮化層，溫度為510℃時沒有明顯滲層，氣壓為200Pa、300Pa和溫度為540℃時只有擴散層。其它參數(shù)下滲層都由不同厚度的白亮層和擴散層組成

3、。XRD測試分析表明滲層表面主要由ε-Fe2-3N和r’-Fe4N和少量a-Fe、FeaO3、Fe3O4組成，氮化后表面顯微硬度為1000HV0．050以上，較基體提高一倍以上；氮化溫度為570℃，氣壓為200Pa，氮化時間為3h，混合氮氣比為60％時氮化層的常溫磨損性能較好，比磨損率較基體降低3倍左右。溫度為570℃，氣壓為100Pa，氮化時間為3h，混合氮氣比為60％時氮化層的高溫磨損性能較好，摩擦系數(shù)在0．2～0．3之間，比磨損率

4、較基體降低6倍左右。
　　 用偏壓300V、弧流60A沉積的CrN膜層表面較為平整，斷面為致密的柱狀晶結(jié)構(gòu)，表面平均硬度為1968HV0.025左右，較基體提高3倍左右。
　　 膜基結(jié)合力為HF3；高溫比磨損率較基體降低三倍左右；不同工藝參數(shù)下滲鍍的CrAlN膜層表面粗糙，隨Cr靶弧流的增加，表面鉻含量增加，Al含量減少；隨著偏壓的增加，表面粗糙度降低，薄膜厚度先增后降。在偏壓為300V、500V時，膜層結(jié)構(gòu)致密，看不出

5、柱狀晶痕跡。膜層硬度高于2200HV0.025，但結(jié)合力較差，在HF5～HF6之間。偏壓為：300V，Cr靶弧流為45A時摩擦系數(shù)較低，比磨損率最小，較基體下降兩倍左右。
　　 通過改變鉻靶和鋁硅靶弧流在未氮化和氮化后的H13鋼表面沉積了不同成分和厚度的CrAlSiN薄膜，其表面較為粗糙，存在大量的顆粒和微孔，斷面組織疏松，部分薄膜出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象。未氮化H13鋼表面沉積CrAlSiN膜層結(jié)合強度等級在HF3～HF4之間，經(jīng)