论文部分内容阅读
H13钢作为一种常见的铝压铸热作模具钢，在实际生产中既要承受加热和冷却反复交替引起的热冲击载荷，又要承受高机械载荷，而且表面会与熔融铝液直接接触，工作环境十分恶劣，模具会发生热疲劳、脆性断裂、变形、表面磨损及熔损等失效。热作模具失效的产生一般从模具表面开始，因此采用表面处理技术手段来提高热作模具的综合使用寿命具有显著意义。 本文采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀和离子渗氮技术，在H13钢未渗氮基体和离子氮化后不同表面过渡处理基体上沉积TiAlN镀层，在其表面形成不同结构的渗/镀复合层。采用压痕和划痕法试验研究渗氮基体不同表面过渡处理对渗/镀复合层微观形貌及承载能力的影响;通过扫描电镜和光学显微镜观测渗镀复合层厚度、表面和截面形貌;采用EDS和XRD手段检测TiAlN镀层的成分和相结构;在自行设计的模拟实际生产铝液接触热疲劳试验装置上进行标准热疲劳试样的热疲劳性能检测，对比未渗氮基体的单一镀层和渗/镀复合层试样的热疲劳裂纹形貌和基体软化差异，用压入法研究了热疲劳试验前后的镀层结合强度和开裂形貌变化;采用对磨WC-Co的常温球盘磨损试验对比研究了渗/镀复合层的摩擦学性能，观察分析了磨损形貌特征和磨损机理。主要结论如下: 1.渗氮H13钢的表面抛光过渡处理有助于之后基体表面沉积的镀层结构致密，提高其结合强度及承载能力;而渗氮基体的表面疏松层可使渗/镀复合层的表面缺陷增多、晶柱露头尺寸不均匀;在压入载荷条件下，渗氮层通过减少压头下方基体表层的塑性变形区，来改善“硬镀层/软基体”间形变的不协调性，从而提高渗/镀复合体系的抗压入承载能力;在划擦条件下，渗氮基体未去除疏松层的试样，镀层易产生剥落失效，抗划擦能力下降。 2.基体硬度、塑性和韧性会影响热疲劳裂纹萌生和扩展。在热疲劳循环过程中，表面局部区域的缺陷会使得热应力集中，缺陷处更易萌生裂纹。去除表面稀疏化合物层以及抛光处理有利于减少复合层表面缺陷，因此能有效地抑制抑制热疲劳裂纹萌生。渗氮层的存在能一定程度抑制基体表层软化，可以保证镀层在高承载条件下不易发生开裂剥落失效。 3.渗/镀复合层的比磨损率明显比单一镀层低，渗氮H13钢基体高硬度的强有力支撑能保证其上的TiAlN镀层不因剥落而降低了抗磨性。磨损试验时，由于未渗氮基体极易产生塑性变形，单一镀层早期可能就因为基体较软而剥落，从而降低了镀层的抗磨性;轨道中心区域镀层剥落，被挤到轨道边缘，导致边缘和中心区域与对磨球接触处不同的磨损机制，并在对磨球表面呈现出椭圆不规则形貌。