模具钢自纳米化及其盐浴渗钒的表面改性研究
发布时间：2021-01-25 19:38
模具是工业生产中重要的构成部分,通常在高负荷、高冲击力的环境中工作。提高模具的性能,延长其使用寿命是十分必要的,因此对模具用钢进行表面强化处理是一种行之有效的方法。利用表面纳米化方法可以有效降低化学热处理温度、优化金属表面的结构和性能等优势,解决传统盐浴中存在的耗能高、处理温度高和实验环境差等问题。本文将表面纳米化与盐浴渗钒技术相结合,利用SMAT在45#钢表面获得纳米结构表层,利用纳米晶钢所具有的特性在低温下获得碳化钒覆层。通过借助光学显微镜（OM）,扫描电子显微镜（SEM）,X射线衍射仪（XRD）、HV-1000硬度计、摩擦磨损机等表征手段对SMAT处理后的45#钢进行组织结构和力学性能的分析,对纳米表面渗钒层的组织结构和显微硬度进行分析。主要结论如下:（1）经过SMAT处理,在45#钢的表面获得了厚度大于80μm的变形层,表面层晶粒的尺寸大小在48 nm70 nm之间;表层的显微硬度提升了25.7%,且沿深度方向硬度由表层到中心呈梯度变化;表面磨痕的深度、宽度以及摩擦系数均小于未经SMAT处理的表面。（2）机械研磨的参数（振动时间和振动频率）影响纳米层深度和...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CVD工艺过程原理图
中北大学学位论文8图1-2PVD工艺流程图Fig1-2flowchartofPVDprocess这项技术几乎不会产生环境污染的问题，也便于获得高硬度和耐磨性的陶瓷涂层和复合涂层，从而使模具和工件的使用寿命成倍提高，实现低成本、高效益的目的。另外，PVD技术具有低温和高能量的特点，可以在多种基底上形成薄膜。然而通过PVD技术制备的涂层的结合强度较低，另外我们国内PVD领域的技术力量与其发展不相适应，而且大多数需要从国外进口先进的设备和加工技术。1.3.3激光熔覆技术激光熔覆技术是1970年出现的一种新型表面改性方法，指在高能激光束的作用下，待熔覆的材料和基体表面被迅速加热并熔化，待自激冷却凝固后在表面形成涂层[27]。自20世纪80年代以后，激光熔覆技术发展迅速，在汽车制造、航空航天、石油化工、机械制造及维修等领域发挥着重要的作用，已成为国内外表面改性研究的热点。激光熔覆技术的主要特点是冷却速度快、熔覆层稀释率低、材料变形孝适用领域广和熔覆层厚度范围大等。但目前激光熔覆技术存在熔覆率低、耐冲击性差、涂层开裂敏感、质量不稳定等问题。江苏大学的黄蕾等人在H13钢的表面使用激光熔覆技术制备出NiCr/Cr3C2复合涂层，结果表明：涂层的平均显微硬度是基体的2.5倍，耐磨性能得到明显的提升[28]。北京工业职业技术学院的高慧等人采用激光熔覆技术，在以Cr12MoV钢为基体的耐火模具表面制备镍基熔覆层，解决了此类模具在使用过程中出现的耐磨性差，寿命短和成本高的问题[29]。浙江工业大学的楼程华等人使用激光熔覆技术将Fe基合金粉末熔覆在Cr12MoV模具钢的表面，结果表明：硬度最高是921HV0.2，覆层的磨损量仅为基体材料的25％，模具钢的表面显微硬度和耐磨性能得到显著地提高[30]。
中北大学学位论文91.3.4表面纳米化方法德国著名学者Gleiter于20世纪80年代成功制备出纳米金属材料，它是指在三维结构单元中，尺寸中至少有一维在0.1nm到100nm之间。因其在光、电、热、磁、力等方面表现出传统材料不具备的特殊性能，所以在环保、航空航天、生物医学、军事等各领域受到人们的广泛研究。卢柯等人于1999年第一次提出金属表面纳米化的概念，即采用各种物理或化学方法在金属材料表面生成纳米结构的表面层，同时基底仍保持原始的粗晶粒状态，以此金属材料的表面性能如抗疲劳性等得到显著地提高。该工艺经过20年的蓬勃发展，在块状金属的表面获得纳米结构层的方法主要有以下三种：表面涂层或沉积、表面自纳米化以及混合方式[31,32]。（1）表面涂层或沉积表面涂覆或沉积纳米晶是指将预先加工出的纳米级颗粒沉积到金属材料的表面以形成具有纳米晶结构的薄层，其形成原理如图1-3所示。这种材料的主要特点是：与加工前相比，工件的整体尺寸略有增加；所获得的纳米表面层的晶粒尺寸均匀；基材与纳米表面层之间的界面明显；化学性质好；涂层和基材的化学成分可以相同也可以不同[33]。现在，许多常规的表面强化技术都有望应用到金属材料表面纳米化上，如电镀、溅射和电沉积等方法，只要合理地调节工艺的参数，就可以方便控制纳米晶层的厚度与晶粒尺寸的大校图1-3表面涂层或沉积示意图Fig.1-3Schematicofsurfacecoatingordeposition（2）表面自身纳米化表面自纳米化是指利用加热或机械的方法提高金属材料表面的自由能，以便将表面原始的粗晶体细化为纳米尺寸，其形成原理如图1-4所示。这种材料的主要特征是：晶
【参考文献】：
期刊论文
[1]表面纳米化对工业纯锆四点弯曲疲劳性能的影响[J]. 王耀勉,成佳鹏,张聪惠. 稀有金属材料与工程. 2019(08)
[2]H13钢表面激光熔覆NiCr/Cr3C2涂层组织及其摩擦学性能[J]. 黄蕾,周建忠,徐家乐,何文渊,聂学武. 应用激光. 2019(04)
[3]浅谈模具材料的选择与应用[J]. 冯楠,朱巍峰. 科技风. 2019(19)
[4]复合PVD涂层在冲压模具上的研究及应用[J]. 张海洲,崔立春,刘迪祥,王淑俊. 锻压装备与制造技术. 2018(06)
[5]AlTiN、AlTiN–Cu和AlTiN/AlTiN–Cu涂层的微观结构、力学性能及铣削性能（英文）[J]. 陈浩,陈康华,徐银超,潘晨曦,易继勇,祝昌军. Journal of Central South University. 2018(03)
[6]新型医用钛合金材料的研发和应用现状[J]. 于振涛,余森,程军,麻西群. 金属学报. 2017(10)
[7]表面纳米化对铜镁合金电化学腐蚀行为的影响[J]. 关晓楠,江静华,陈建清,马爱斌,宋丹,李学斌. 中国有色金属学报. 2017(03)
[8]Influence of volume percentage of NanoTiB2 particles on tribological & mechanical behaviour of 6061-T6 Al alloy nano-surface composite layer prepared via friction stir process[J]. V.Kishan,Aruri Devaraju,K.Prasanna Lakshmi. Defence Technology. 2017(01)
[9]轻金属及其合金表面纳米化后的摩擦磨损行为[J]. 汤世云,马子罡,吕志宇,高晗,郭嘉雯. 合成材料老化与应用. 2016(05)
[10]耐火材料模具激光熔覆技术研究[J]. 高慧,陈斌. 应用激光. 2016(03)
博士论文
[1]Cr8型冷作模具钢高性能化研究[D]. 迟宏宵.昆明理工大学 2011
[2]模具钢表面TD法制备碳化钒覆层的研究[D]. 刘秀娟.武汉理工大学 2007
硕士论文
[1]基于动态摩擦磨损系数的先进高强钢冲压模具寿命研究[D]. 王成龙.湖南大学 2018
[2]低碳钢表面纳米化及其渗碳过程的分子动力学模拟[D]. 魏悠悠.哈尔滨工程大学 2018
[3]B2O3基硼钒共渗剂及42CrMo钢渗层组织性能研究[D]. 韩天.江苏大学 2017
[4]高速经编机导纱针针坯冲压模具设计及制作[D]. 马康玲.东华大学 2017
[5]TD盐浴法制备LD钢碳化钒覆层及其摩擦磨损性能研究[D]. 万伟.南昌航空大学 2015
[6]H13钢不同固体渗硼工艺制备的渗层高温摩擦磨损性能与机理研究[D]. 濮胜君.上海大学 2015
[7]冷作模具钢表面TD法盐浴渗钒工艺及应用研究[D]. 孔向阳.东华大学 2011
[8]高能喷丸表面纳米化对TC4合金疲劳性能的影响[D]. 闫秀侠.大连交通大学 2009
[9]H13钢表面PN+PVD复合处理的工艺及性能研究[D]. 邓敏.武汉科技大学 2009
[10]塑料模具激光精密修复技术的研究[D]. 常明.华南师范大学 2007
本文编号：2999774
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CVD工艺过程原理图
中北大学学位论文8图1-2PVD工艺流程图Fig1-2flowchartofPVDprocess这项技术几乎不会产生环境污染的问题，也便于获得高硬度和耐磨性的陶瓷涂层和复合涂层，从而使模具和工件的使用寿命成倍提高，实现低成本、高效益的目的。另外，PVD技术具有低温和高能量的特点，可以在多种基底上形成薄膜。然而通过PVD技术制备的涂层的结合强度较低，另外我们国内PVD领域的技术力量与其发展不相适应，而且大多数需要从国外进口先进的设备和加工技术。1.3.3激光熔覆技术激光熔覆技术是1970年出现的一种新型表面改性方法，指在高能激光束的作用下，待熔覆的材料和基体表面被迅速加热并熔化，待自激冷却凝固后在表面形成涂层[27]。自20世纪80年代以后，激光熔覆技术发展迅速，在汽车制造、航空航天、石油化工、机械制造及维修等领域发挥着重要的作用，已成为国内外表面改性研究的热点。激光熔覆技术的主要特点是冷却速度快、熔覆层稀释率低、材料变形孝适用领域广和熔覆层厚度范围大等。但目前激光熔覆技术存在熔覆率低、耐冲击性差、涂层开裂敏感、质量不稳定等问题。江苏大学的黄蕾等人在H13钢的表面使用激光熔覆技术制备出NiCr/Cr3C2复合涂层，结果表明：涂层的平均显微硬度是基体的2.5倍，耐磨性能得到明显的提升[28]。北京工业职业技术学院的高慧等人采用激光熔覆技术，在以Cr12MoV钢为基体的耐火模具表面制备镍基熔覆层，解决了此类模具在使用过程中出现的耐磨性差，寿命短和成本高的问题[29]。浙江工业大学的楼程华等人使用激光熔覆技术将Fe基合金粉末熔覆在Cr12MoV模具钢的表面，结果表明：硬度最高是921HV0.2，覆层的磨损量仅为基体材料的25％，模具钢的表面显微硬度和耐磨性能得到显著地提高[30]。
中北大学学位论文91.3.4表面纳米化方法德国著名学者Gleiter于20世纪80年代成功制备出纳米金属材料，它是指在三维结构单元中，尺寸中至少有一维在0.1nm到100nm之间。因其在光、电、热、磁、力等方面表现出传统材料不具备的特殊性能，所以在环保、航空航天、生物医学、军事等各领域受到人们的广泛研究。卢柯等人于1999年第一次提出金属表面纳米化的概念，即采用各种物理或化学方法在金属材料表面生成纳米结构的表面层，同时基底仍保持原始的粗晶粒状态，以此金属材料的表面性能如抗疲劳性等得到显著地提高。该工艺经过20年的蓬勃发展，在块状金属的表面获得纳米结构层的方法主要有以下三种：表面涂层或沉积、表面自纳米化以及混合方式[31,32]。（1）表面涂层或沉积表面涂覆或沉积纳米晶是指将预先加工出的纳米级颗粒沉积到金属材料的表面以形成具有纳米晶结构的薄层，其形成原理如图1-3所示。这种材料的主要特点是：与加工前相比，工件的整体尺寸略有增加；所获得的纳米表面层的晶粒尺寸均匀；基材与纳米表面层之间的界面明显；化学性质好；涂层和基材的化学成分可以相同也可以不同[33]。现在，许多常规的表面强化技术都有望应用到金属材料表面纳米化上，如电镀、溅射和电沉积等方法，只要合理地调节工艺的参数，就可以方便控制纳米晶层的厚度与晶粒尺寸的大校图1-3表面涂层或沉积示意图Fig.1-3Schematicofsurfacecoatingordeposition（2）表面自身纳米化表面自纳米化是指利用加热或机械的方法提高金属材料表面的自由能，以便将表面原始的粗晶体细化为纳米尺寸，其形成原理如图1-4所示。这种材料的主要特征是：晶
【参考文献】：
期刊论文
[1]表面纳米化对工业纯锆四点弯曲疲劳性能的影响[J]. 王耀勉,成佳鹏,张聪惠. 稀有金属材料与工程. 2019(08)
[2]H13钢表面激光熔覆NiCr/Cr3C2涂层组织及其摩擦学性能[J]. 黄蕾,周建忠,徐家乐,何文渊,聂学武. 应用激光. 2019(04)
[3]浅谈模具材料的选择与应用[J]. 冯楠,朱巍峰. 科技风. 2019(19)
[4]复合PVD涂层在冲压模具上的研究及应用[J]. 张海洲,崔立春,刘迪祥,王淑俊. 锻压装备与制造技术. 2018(06)
[5]AlTiN、AlTiN–Cu和AlTiN/AlTiN–Cu涂层的微观结构、力学性能及铣削性能（英文）[J]. 陈浩,陈康华,徐银超,潘晨曦,易继勇,祝昌军. Journal of Central South University. 2018(03)
[6]新型医用钛合金材料的研发和应用现状[J]. 于振涛,余森,程军,麻西群. 金属学报. 2017(10)
[7]表面纳米化对铜镁合金电化学腐蚀行为的影响[J]. 关晓楠,江静华,陈建清,马爱斌,宋丹,李学斌. 中国有色金属学报. 2017(03)
[8]Influence of volume percentage of NanoTiB2 particles on tribological & mechanical behaviour of 6061-T6 Al alloy nano-surface composite layer prepared via friction stir process[J]. V.Kishan,Aruri Devaraju,K.Prasanna Lakshmi. Defence Technology. 2017(01)
[9]轻金属及其合金表面纳米化后的摩擦磨损行为[J]. 汤世云,马子罡,吕志宇,高晗,郭嘉雯. 合成材料老化与应用. 2016(05)
[10]耐火材料模具激光熔覆技术研究[J]. 高慧,陈斌. 应用激光. 2016(03)
博士论文
[1]Cr8型冷作模具钢高性能化研究[D]. 迟宏宵.昆明理工大学 2011
[2]模具钢表面TD法制备碳化钒覆层的研究[D]. 刘秀娟.武汉理工大学 2007
硕士论文
[1]基于动态摩擦磨损系数的先进高强钢冲压模具寿命研究[D]. 王成龙.湖南大学 2018
[2]低碳钢表面纳米化及其渗碳过程的分子动力学模拟[D]. 魏悠悠.哈尔滨工程大学 2018
[3]B2O3基硼钒共渗剂及42CrMo钢渗层组织性能研究[D]. 韩天.江苏大学 2017
[4]高速经编机导纱针针坯冲压模具设计及制作[D]. 马康玲.东华大学 2017
[5]TD盐浴法制备LD钢碳化钒覆层及其摩擦磨损性能研究[D]. 万伟.南昌航空大学 2015
[6]H13钢不同固体渗硼工艺制备的渗层高温摩擦磨损性能与机理研究[D]. 濮胜君.上海大学 2015
[7]冷作模具钢表面TD法盐浴渗钒工艺及应用研究[D]. 孔向阳.东华大学 2011
[8]高能喷丸表面纳米化对TC4合金疲劳性能的影响[D]. 闫秀侠.大连交通大学 2009
[9]H13钢表面PN+PVD复合处理的工艺及性能研究[D]. 邓敏.武汉科技大学 2009
[10]塑料模具激光精密修复技术的研究[D]. 常明.华南师范大学 2007
本文编号：2999774
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jinshugongy/2999774.html
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