AISI H13表面電火花沉積Mo和Ti合金層組織及其性能研究.pdf

1、AISI H13鋼是目前使用最廣泛和最具代表性的熱作模具鋼種。熱作模具服役過程中反復(fù)地與高溫狀態(tài)的被加工材料接觸，其主要失效形式為熱侵蝕、熱沖蝕磨損及熱疲勞。采用表面處理技術(shù)，提高熱作模具相關(guān)的服役性能是提高熱作模具使用壽命的有效途徑之一。電火花表面沉積處理技術(shù)因具有處理溫度低；硬化層與基體的結(jié)合牢固；可處理復(fù)雜零件；處理速度快；成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)成為表面處理技術(shù)中新的一個(gè)重要分支。
　　 論文采用新型電火花表面沉積處理技術(shù)，針對(duì)

2、熱作模具鋼AISI H13鋼服役過程的主要失效形式，在H13鋼基材表面制備了成分和性能呈梯度分布并不存在界面問題的具有特殊性能的Mo、Ti合金層。合金層組織結(jié)構(gòu)的梯度變化以及由此導(dǎo)致的硬度等性能的梯度變化，將會(huì)明顯改善合金層內(nèi)應(yīng)力的釋放和變形協(xié)調(diào)性，緩解合金層內(nèi)部裂紋的形成和擴(kuò)展，抑制龜裂等表面失效的發(fā)生，避免常規(guī)涂層由于界面弱化帶來的熱疲勞脫層，有效提高模具使用壽命。
　　 在電火花沉積工藝方面，探討了電極形狀對(duì)電火花放電過程

3、的影響，給出了比沉積能量與沉積層厚度關(guān)系的定量表達(dá)，研究發(fā)現(xiàn)：采用高徑比很小的片狀電極代替棒狀電極可以有效避免棒狀電極尖端引起的放電不穩(wěn)定現(xiàn)象，改善沉積層表面粗糙度和厚度均勻性。沉積層的厚度與比沉積能量近似成線性正比關(guān)系。
　　 通過采用普通光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀、GDOES-750輝光放電光譜儀、顯微硬度計(jì)等分析手段對(duì)沉積層組織、成分、結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行了分析研究和表征。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合模具實(shí)際應(yīng)用背景，對(duì)沉積層的腐蝕

4、性能、摩擦磨損性能、高溫氧化性能進(jìn)行測(cè)試研究，初步探討了相應(yīng)的機(jī)理。得到如下結(jié)論：
　　 1.電火花表面沉積層表面形貌具有放電點(diǎn)“噴濺”特征。沉積層主要由白亮層、擴(kuò)散層和熱影響區(qū)組成，其中最表面白亮層為高M(jìn)o或高Ti合金層，擴(kuò)散層是Mo、Ti電極元素與基體元素相互熔滲和擴(kuò)散，沉積層與基體呈冶金結(jié)合。
　　 2.Mo和Ti主要以固溶形式存在于沉積層中形成α-(Fe,Me)相，從衍射峰的形狀來看，衍射峰尖銳化程度不是很高

5、，強(qiáng)度降低，寬化明顯，出現(xiàn)類似非晶衍射所特有“饅頭峰”，表明合金層中出現(xiàn)部分非晶相。
　　 3.H13鋼表面電火花沉積處理后，成分和硬度均沿沉積層深度方向呈梯度分布，顯微硬度較基材H13鋼有顯著提高。
　　 4.電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，在0.6mol/L的NaCl溶液中沉積層自腐蝕電位明顯正移，Ti沉積層自腐蝕電位比H13鋼基材提高了103mV，Mo沉積層自腐蝕電位比H13鋼基材提高了11mV，H13鋼基材腐蝕電

6、流密度最大，是Ti沉積層腐蝕電流密度的4.2倍，Mo沉積層腐蝕電流密度的3.7倍，因此，在NaCl溶液中電火花沉積Ti、Mo沉積層耐蝕性均高于H13鋼基材，耐Cl-點(diǎn)蝕性能得到較大改善。在0.6 mol/L H2SO4溶液中，Ti沉積層、Mo沉積層極化曲線明顯左移，Ti沉積層、Mo沉積層致鈍電流密度分別是H13鋼基材的0.132倍和0.138倍，均減小大約一個(gè)數(shù)量級(jí)，表明電火花Mo、Ti沉積層比基材易于形成鈍化膜，降低腐蝕速度，說明Mo

7、、Ti沉積層耐酸蝕性能高于H13鋼基材。在脫模劑溶液腐蝕中，Ti、Mo沉積層極化曲線明顯左移，Ti沉積層、Mo沉積層鈍化區(qū)比基材鈍化區(qū)大，表明電火花鉬、鈦沉積層比基材易于形成鈍化膜，且鈍化膜穩(wěn)定性好于H13鋼基材。
　　 5.球-盤磨損試驗(yàn)表明，在一定載荷下H13鋼基材相對(duì)于Si3N4摩擦配副的摩擦系數(shù)較高，磨痕形貌表現(xiàn)為嚴(yán)重的粘著、擦傷、撕裂與塑性流動(dòng)的特征，磨損機(jī)理為粘著磨損、氧化磨損并伴有磨粒磨損，耐磨性能較差；Mo沉積

8、層摩擦系數(shù)明顯小于H13鋼的摩擦系數(shù)，表現(xiàn)出良好的減摩效果，耐磨性比基材大幅度提高。
　　 6.700℃循環(huán)氧化50h高溫氧化性能試驗(yàn)結(jié)果表明，電火花Mo、Ti沉積層顯著提高基材的抗氧化性能，其中，Ti沉積層的抗氧化性能最好。Mo沉積層的氧化產(chǎn)物主要是Fe3O4、Fe2O3和MoO3，氧化膜均勻致密，無孔洞裂紋，表現(xiàn)出較好的抗高溫氧化性能。Ti沉積層氧化產(chǎn)物主要是TiO2、Fe3O4、Fe2O3的混合物，氧化膜均勻致密，粘附性