【word】 喷丸对H13钢等离子渗氮处理的影响

【word】 喷丸对H13钢等离子渗氮处理的影响 喷丸对H13钢等离子渗氮处理的影响 喷丸对H13钢等离子渗氮处理的影响 陈玉华,吴晓春,汪宏斌(上海大学材料科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院,上海200072) 摘要:对经1020?淬火560?,610?和560?三次回火后的H13钢进行喷丸处理,将喷丸处理后的试样在 550?下等离子渗氮1h.采用光学显微镜,透射电子显微镜,显微硬度仪和x射线衍射仪观察和分析,对比了喷 丸和未喷丸试样亚 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 层的显微结构,等离子渗氮后的渗层深度,截面硬度及表面物相组成.结果表明,在550? 渗氮1h的情况下,喷丸的催渗效果十分明显,喷丸后渗氮层深度从30.4m增至51.4m,喷丸形成的高密度 胞状位错对催渗起了决定性的作用.喷丸试样的渗氮层与未喷丸试样相比,表面物相的含量不同,表面硬度较 高,渗层的硬度梯度稍平缓一些. 关键词:H13钢;喷丸;等离子渗氮;位错 中图分类号:TG156.8文献标识码:A文章编号:02544051(2008)06-0047-03 Influenceofshot-peeningonplasmanitridingofH13steel CHENYu—hua,WUXiao—chun,WANGHong—bin (SchoolofMaterialScienceandEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China) Abstract:TheH13steelwasquenchedandtempered(austenitizedat1020? andtemperedat560?,610?and 560? andpreparedbytheshot-peening.TheH13sampleswithorwithoutshot-peeningwereplasmanitridedat 550? for1h.Thethickness.hardnessgradientandthephasecontentsofthenitridelayerswerecomparedbetweenthe shot-peenedsamplesandtheoriginalsamplesusingopticalmicroscope,VickersmicrohardnesstesterandX—raydiffrac- tometer.Thesurfacemicrostrueturefeaturesofthesampleswithorwithoutshot-peeningwerecharacterizedbytransmis- sionelectronmicroscope.Resultsshowthatthepreviousshot-peeninggreatlyspeedsupthenitridingontheH13steelat 550? for1h.Theshot-peeningenhancesnitridelayerto51.4mratherthan30.4mforthesamplewithoutshot- peening.Thehigh-densitydislocationresultedfromshot-peeningmarkedlypromotesthenitridingprocess.Thephasecon- tentsofthenitridelayersbetweentheshot-peenedandoriginalsamplesarediff erent.Thesurfacehardnessofshot-peened samplesafternitridingishigherthanthatoforiginalsamplesandthehardnessg radientisslightlysmoother. Keywords:H13steel;shot-peening;plasmanitriding;dislocation 喷丸处理是一种广泛使用的材料表面冷加工方 法,可实现表面清理,光洁度加工和机械强化等多种功 能HJ.喷丸表面产生塑性变形,晶粒细化,表面位错 密度增加,晶格畸变增大j,使工件表面产生残余压 应力,可以有效改善材料的疲劳l生能j. 离子渗氮是应用广泛的一种化学热处理方法J. 离子渗氮成本低,气氛可控,热效率高,并且渗氮工艺温 度与热作模具钢的回火温度吻合,在加热到500?时硬 度变化不大.离子渗氮形成的氮化层可以大大提高热 作模具钢的表面硬度和耐磨损性能,从而延长模具寿 命,防止模具磨损失效.因此离子渗氮是热作模具钢常 用的表面处理工艺,在工业上已经得到广泛的应用. 目前,国内外的研究者为了获得更厚更好性能的 作者简介:陈玉华(1983一),女,天津人,硕士,主要从事模具材 料表面改性的研究.联系电话:021-5633115313564523324 E-mail:aiwa_ cyh@163.COB 基金项目:上海市科委登山项目(065211028);上海市重点学科 建设项目(T0101) 收稿日期:2008-02-01 渗氮层,采用添加钛和稀土_7等元素促进渗氮的进 行.卢柯院士等人通过预先表面机械研磨处理,在 300?×9h的条件下使纯铁实现了渗氮过程,将传统 的渗氮温度降低了200?J.虽然此工艺大大提高 了渗氮效率,但表面机械研磨处理设备有一定的局限 性,难在工业上得到广泛应用.本文将工业应用成熟 的喷丸工艺应用于H13热作模具钢,并进行离子渗氮 处理.研究在传统的渗氮条件下,这种工业应用性强, 操作简便,成本低的喷丸处理工艺能否使H13钢表面 形成更厚,性能更好的氮化层,为其在工业上得到广泛 应用提供一定的理论依据. 1试验材料及方法 试验材料为进口的热作模具钢H13(8407钢),化 学成分(质量分数,%)为0.38C,0.33Mn,1.06Si, 0.0003S,5.14Cr,1.52Mo,1.08V,其余为Fe.经1020 ?淬火以及560?,610?,560?三次回火后得到硬 度为46HRC的回火马氏体组织. 将热处理后的材料进行喷丸处理并线切割成尺寸 为10mm×10mm×10mm的试样.喷丸处理时的喷 《金属热处理>>2008年第33卷第6期47 射压力为4.2,4.6kg,弹丸直径为0.2,0.3mm,喷 丸时间为30min.将喷丸处理和未喷丸处理试样置于 LD一3000-8型离子渗氮炉中,在550?下离子渗氮1 h.渗氮气氛为NH,流量为0.2L/min,炉内气压400 Pa,电压650V,电流为2.2A. 利用光学显微镜对渗氮层进行观察;采用JEM. 100Cx型透射电子显微镜观测喷丸处理后试样亚表层 的显微组织;使用D/max-2550型x射线衍射仪对试 样表面进行物相分析;用MH-3型显微硬度测量仪测 量渗氮层的硬度变化,载荷砝码为50g. 2试验结果与讨论 2.1金相组织分析 图1为喷丸和未喷丸试样经过550?离子渗氮1 h后的金相组织.比较图1a和图1b,发现渗氮层厚度 有着明显的差别,未喷丸试样渗氮层的厚度为30.4 m,喷丸试样的渗氮层为51.4m,可见喷丸处理可 以大大加速渗氮过程.图1所示两张照片中的化合物 层也同样存在差异,喷丸试样上的化合物层的厚度比 未喷丸试样的厚.这是由于喷丸增加了表面的比表面 积,活性提高,渗氮过程中溅射出铁原子需要的能量较 低,因此铁原子的溅射效率更高,等离子体中铁离子的 含量提高,与氮离子形成化合物的几率也相应提高了, 致使有更多的铁氮化合物沉积于喷丸试样表面上,因 此喷丸表面渗氮后化合物层的厚度较厚. 图1H13钢经550?离子渗氮1h后金相组织 (a)未喷丸试样(b)喷丸试样 Fig.1MicrostructureofH13steeltreatedbyplasma nitridingat550?for1h (a)originalsample(b)shot—peenedsample 2.2表面相结构 采用x射线衍射技术对喷丸和未喷丸试样等离子 渗氮后的表面相结构进行了定性和定量的分析.图2 为未喷丸和喷丸H13钢经550oCX1h离子渗氮后表面 x射线衍射谱.经过定量分析,喷丸和未喷丸试样渗氮 后表面的组织都是由FeN和FeN两相组成,喷丸后渗 氮表面组织为81.8%的FeN和18.2%的FeN;未喷丸 后渗氮表面组织为79.5%的FeN和2O.5的FeN.喷 丸后渗氮试样表面FeN的含量略有增高. 500 0 (a)2(.) qo)20/(.) 图2H13钢经550?离子渗氮1h后表面X射线衍射谱 (a)未喷丸试样(b)喷丸试样 Fig.2X—raydiffractionpatternsofH13steeltreated byplasmanitridingat550?for1h peenedsample (a)originalsample(b)shot— 2.3截面硬度梯度 从性能上看,喷丸后渗氮的渗氮层具有更加优越 的性能.图3为喷丸与未喷丸渗氮试样的截面硬度梯 度曲线.喷丸试样渗氮层的显微硬度为1072 HV0.05,比未喷丸渗氮层的971HV0.05高出100 HV0.05,有更好的耐磨作用.其次喷丸后渗氮层的截 面硬度梯度曲线更为平滑,这是由于喷丸处理后试样 表面活性增大,更利于氮原子向基体扩散,使试样表面 的氮浓度梯度更为平缓,在服役过程中,渗氮层不容易 剥落而暴露基体. distancefrOmsurtace/mm 图3渗氮后的截面硬度梯度 Fig.3Hardnessgradientofthesamplestreatedbyplasn~nitriding 2.4微观结构特征 为了进一步解释喷丸处理对渗氮有促进作用,采 用JEM一100CX型透射电子显微镜观测喷丸处理后试 48《金属热处理}2008年第33卷第6期 一?Qu一>?LJLJ0>H】??c.J?L{0J.一E 样亚表层的显微组织.如图4所示,经电子衍射分析 表明,H13钢经淬火和3次回火处理后组织为板条状 马氏体.在明场下喷丸试样和未喷丸试样都存在位 错,其位错组态相同,主要是线性位错.两试样表面的 位错都位于板条状马氏体内部.在某些区域,位错密 度较高,位错互相缠结形成网状.比较图4a和图4b 可知,喷丸后试样的位错密度明显增加,图4a是未喷 丸试样的透射电镜照片,位错密度较低,位错显示十分 清晰;图4b所示喷丸试样随变形量的增大,位错密度 也增大.从图5还可以看出,喷丸处理后试样表面位 错逐渐在晶粒内部扩展起来,密集分布于整个晶粒内 部,并形成胞状结构.胞状结构的出现说明喷丸处理 使材料产生大量的塑性变形和大量的位错,位错之间 互相缠结形成胞状结构.在喷丸过程中,弹丸从各个 方向与材料表面发生碰撞,会促使材料表面晶粒某些达 到临界分切应力的滑移系开动,从而产生更多的位错. 喷丸处理后渗氮层的厚度增加,主要是由于喷丸后产生 的大量位错,为氮原子在材料中扩散提供更多的通道, 位错缺陷部位点阵畸变大,原子处于较高的能量状态, 易于跳跃,位错处的扩散激活能小.因此在相同的渗氮 条件下,喷丸试样获得了更厚的氮原子扩散层. 图4未喷丸和喷丸试样亚表层的TEM照片 (a)未喷丸试样(b)喷丸试样 Fig.4TEMimagesofthesubsurfaceofH13samples peenedsample (a)originalsample(b)shot— 3结论 (1)喷丸可以大大提高H13钢的等离子渗氮效 率,增加渗层的厚度. 图5喷丸试样亚表层TEM照片 (a)明场(b)暗场 Fig.5TEMimagesofthesubsurfaceofshot—peenedsample (a)brightfield(b)darkfield (2)喷丸催渗的主要原因是喷丸后试样表面存在 高密度位错,位错密集分布于整个晶粒内部并形成胞 状结构,为氮原子在材料中的扩散提供更多的通道. (3)喷丸后渗氮的试样与未喷丸渗氮的试样相 比,表面Fe,N相含量较高,并且喷丸后渗氮试样的渗 氮层硬度较高,渗层的结合力较好. 参考文献: [1]栾伟玲,涂善东.喷丸表面改性技术的研究进展[J].中国 机械工程,2005,16(15):1405—1409. [2]MoonDP.Roleofreactiveelementsinalloyprotection[J]. Mater.Sci.Techno1.,1989,5(8):754_764. [3]姜传海,吴建生,王德尊.铸态SiCw/A1复合材料的表面 喷丸强化[J].机械工程材料,2002,26(8):32_34. [4]FarrahiGH,GhadbeigiH.Aninvestigationintotheeffectof varioussurfacetreatmentsonfatiguelifeofatoolsteel[J]. JournalofMaterialsProcessingTechnology,2006,74:318— 324. [5]PellizzariM,MolinariAandStraffeliniG.Thermalfatiguere— sistanceofgasandplasmanitrided41CrA1Mo7steellJ. 194. MaterialsScienceandEngineeringA,2003,352:186— [6]杨文平,商兴国,刘志涛,刘丽果.低温盐浴钛催渗氮碳共 渗研究[J].机械科学与技术,2006,25(4):476478. I7】ZhangJin.Examinationofplasmanitridingmicrostructure withadditionofrareearthslJ】.JournalofRareEarths, 2004,22(2):272—276. [8]TongWei—Ping,TaoNai?Rong,WangZhen?Bo,eta1.Nitri? dingironand38CrMoA1steelwithananostructuredsurface layer[J].JournaloftheGraduateSchooloftheChineseA? cademyofSciences,2005,22(2):230.238. 《金属热处理}2008年第33卷第6期49