W360热作模具钢渗硫的渗层组织及抗擦伤性能

发布时间：2020-05-06 15:27

【摘要】：目的基于硫化处理能够减弱摩擦界面"咬合力"的特点,通过低温液体工艺对Bohler W360热作模具钢进行了渗硫处理,以期进一步改善模具抗擦伤性能。方法采用硫粉、氢氧化钠和去离子水三元碱性渗剂体系,设计不同的硫含量,以研究硫浓度对渗层组织的影响,利用SEM-EDS和XRD对渗硫层形貌和结构进行分析,通过洛氏硬度计和MRH-3A高速环块磨损试验机,分别对渗硫前后材料的表面硬度和摩擦磨损性能进行检测和评价。结果通过低温液体渗硫工艺,W360模具钢表面渗硫层因硫含量不同而分别形成了"板结"结构和"微颗粒+空隙"结构,XRD结果表明渗硫层由Fe S和Fe S2构成。硬度测试显示,渗硫后,W360模具钢的表面硬度未发生变化(52~53HRC),与原始硬度一致。但摩擦磨损试验数据表明,硫化处理可以显著降低摩擦初期W360钢的摩擦系数,磨损失重和磨痕宽度等数据揭示硫质量分数为1.5%时,抗擦伤性最佳。结论低温液体渗硫工艺通过降低模具钢表面摩擦系数,能够提高材料的抗擦伤性能,渗剂中硫元素的含量对渗层组织和抗擦伤性能有显著的影响。
【图文】：

·136·表面技术2017年9月图1渗硫层表面形貌SEM照片Fig.1SEMofsulfurizationlayer时，“板结态”最严重。“板结”状结构与基体的结合力弱，在摩擦过程中，板-板间的缝隙等同于裂纹缺陷，导致“板块”易于脱落，且“板内”因不能良好地储油，润滑性较差。硫含量为1.5%时，渗硫层形貌发生了显著变化，形成了“微颗粒+空隙”结构，形态似“韧窝”断口，颗粒之间以及颗粒内部疏松多孔，孔隙可以储存润滑油，在摩擦表面易形成油膜，有利于达到“流体+固体”的协同润滑作用[17]。调研文献发现，针对低温液体工艺渗硫层表面形貌的基础研究较少，“板结”与“微颗粒+空隙”两种结构的形成机制目前尚缺乏系统的理论分析，但在实验过程中，除了渗剂中硫元素的含量不同外，其他的工艺参数完全相同（渗硫温度、渗硫时间、搅拌强度、试样表面预处理等），故可推断硫浓度对渗硫层形貌起关键作用。不同组织形貌的渗硫层对材料的抗擦伤性和耐磨性具有不同的作用，由图1可推断，硫的质量分数为1.5%时，材料的抗擦伤性最佳。图2和表3为W360模具钢渗硫层的EDS能谱图和数据。由图2、表3可以看出，W360钢经低温液体工艺渗硫后，表面均形成了含硫的化合物层，但因渗剂的硫含量不同，导致表面层的硫浓度不同。当渗剂中S含量为1%和2%时，S元素的谱峰较低，表面层硫浓度也较低，质量分数分别为1.4%和3%；当渗剂中硫含量为1.5%时，S峰明显提高，硫元素的质量分数达到了10.1%。图2渗硫层表面EDS能谱图Fig.2EDSofsulfurization表3渗硫表面EDS数据Tab.3EDSdataofsulfurization试样质量分数/%原子数分数/%COSFeCOSFe1#14.5211.641.4456.9636.5821.991.3630.872#29.9313.2710.1227.6551.7723.616.5610.293#9.7111.933.0064.292

囝停囡谀Σ帘砻嬉仔纬捎湍ぃ?有利于达到“流体+固体”的协同润滑作用[17]。调研文献发现，针对低温液体工艺渗硫层表面形貌的基础研究较少，“板结”与“微颗粒+空隙”两种结构的形成机制目前尚缺乏系统的理论分析，但在实验过程中，除了渗剂中硫元素的含量不同外，其他的工艺参数完全相同（渗硫温度、渗硫时间、搅拌强度、试样表面预处理等），故可推断硫浓度对渗硫层形貌起关键作用。不同组织形貌的渗硫层对材料的抗擦伤性和耐磨性具有不同的作用，由图1可推断，硫的质量分数为1.5%时，材料的抗擦伤性最佳。图2和表3为W360模具钢渗硫层的EDS能谱图和数据。由图2、表3可以看出，W360钢经低温液体工艺渗硫后，表面均形成了含硫的化合物层，但因渗剂的硫含量不同，导致表面层的硫浓度不同。当渗剂中S含量为1%和2%时，S元素的谱峰较低，表面层硫浓度也较低，质量分数分别为1.4%和3%；当渗剂中硫含量为1.5%时，S峰明显提高，硫元素的质量分数达到了10.1%。图2渗硫层表面EDS能谱图Fig.2EDSofsulfurization表3渗硫表面EDS数据Tab.3EDSdataofsulfurization试样质量分数/%原子数分数/%COSFeCOSFe1#14.5211.641.4456.9636.5821.991.3630.872#29.9313.2710.1227.6551.7723.616.5610.293#9.7111.933.0064.2922.5621.952.3843.012.2渗硫层的物相组成取渗硫层组织和形貌较好的2#试样（硫的质量分数为1.5%）进行XRD物相分析（如图3所示）。由图3可知，，渗硫层除α-Fe外，形成了部分的FeS和FeS2。铁的硫化物通过自润滑性提高了渗硫工件抗擦伤性能和耐磨性，但有文献指出[18]，具有减摩作用的图32#渗硫试样渗硫层XRD图Fig.3XRDof2#sulfurizedspecimen

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