模具钢超声表面滚压与离子注渗复合改性层的组织与性能
发布时间：2021-11-29 03:01
Dievar模具钢是由以前的瑞典乌德侯姆钢厂专门开发的一种Cr-Mo-V系合金钢,具有优异的热强度和良好的韧性,主要用作热作模具钢,它被广泛应用于汽车、电子、航空制造、核电设备、石油化工、海洋平台装备制造等对材料性能要求较高的领域。热作模具钢在服役过程中,一般失效的位置都始于表面,当两工件间产生滑移运动时会存在摩擦或划伤,严重时会使得工件出现磨损失效问题。另外,热作模具钢在冷热交替循环的环境中工作,也容易产生热疲劳失效问题。因此,在提高热作模具钢摩擦磨损性能的同时也需要提高其热疲劳性能。本课题对Dievar模具钢进行了超声表面滚压处理（Ultrasonic Surface Rolling Processing,USRP）,在材料表面制备了一定厚度的梯度纳米改性功能层。随后,在经过超声表面滚压处理后的试样和未经任何处理的试样表面进行高能离子注渗（High Energy Ion Implantation,HEII）碳化钨的工艺处理,制备出高能离子注渗碳化钨层,并通过对表面功能层的微观组织结构、化学成分、硬度、摩擦磨损性能以及热疲劳性能等的研究,分析表面纳米化对于高能离子注渗碳化钨层性能的影...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
试样的光学显微图和三维形貌图(a1，a2)未喷丸，(b1，b2)喷丸，d=1.0mm，t=30min，f=50Hz；(c1，c2)喷丸，d=2.4mm，t=30min，f=50Hz[23]
第1章绪论5最大残余压应力值和残余压应力层深度随着激光功率密度的增大而增大。激光冲击次数越大，晶粒细化程度越高，但当冲击4次时冲击效果降低。其研究结果如下图1.2所示[28]。图1.2激光冲击后试样表面的微观形貌图(a)激光冲击1次(b)激光冲击2次(c)激光冲击3次(d)激光冲击4次[28]Fig.1.2Microscopicmorphologyofthesamplesurfaceafterlaserimpact(a)1laserimpact,(b)2laserimpacts,(c)3laserimpacts,(d)4laserimpacts1.2.3超声表面滚压超声表面滚压（UltrasonicSurfaceRollingProcessing，USRP）纳米化是金属表面自纳米化方法中新发展的一种表面改性技术，该技术广泛应用于机械制造和维修领域。超声表面滚压技术的原理是用外加载荷重复冲击或挤压金属材料的表面，使得金属表面发生严重的塑性变形，在反复轧制的作用下，表面的粗晶组织逐渐细化成纳米量级，显微组织结构发生改变。纳米化后由于存在梯度纳米结构使复合层的硬度、摩擦性能、耐腐蚀性能和抗热疲劳性能提高。表面所产生的残余压缩应力可改善材料表面的应力分布状态，显著降低材料表面的粗糙度。经超声滚压后多晶体金属材料表面的自由能增加，是由于纳米化使晶粒数量变多，晶界面积增多，原子扩散的快速通道增多，原子在晶界处能量较高，表面的机械孪晶、空位、位错等非平衡缺陷也可提高材料表面的活性，降低原子扩散的驱动力。
第1章绪论7粒尺寸为3-7nm，表面的纳米晶层有近百微米，表面组织呈梯度分布，相比于原始母材，经超声表面滚压处理的材料表面具有更优的摩擦磨损性能和腐蚀性能。其研究结果如下图1.3所示[33]。刘洁等人通过对45号钢的性能研究，讨论了超声滚压的加工参数对试样的影响。结果表明工艺参数选取恰当能降低或者消除材料的表面缺陷[34]。黄元林等人通过超声滚压对电弧喷涂3Cr13涂层进行表面预处理，结果表明经超声滚压可得到大深度、高值的残余压应力，可使涂层的硬度提高，晶粒细化，加工纹理消除，组织致密化，孔隙率降低，粗糙度得到改善。因此超声表面滚压处理可以辅助其他表面物理化学处理过程顺利地进行[35]。图1.3超声表面滚压处理设备示意图[33]Fig.1.3SchematicdiagramofUSRPequipment1.3高能离子注渗合金化高能离子注渗技术（HighEnergyIonImplantation，HEII）是应用前景非常广阔的一种表面改性技术，它是指将几万到几十万电子伏特的高能离子注入材料表面，获得新的稳定相或者亚稳态合金相（取决于材料温度与离子溶解度），从而形成与基体的成分和结构不同的注渗层，使材料表面的物理、化学和机械性能发生改变。高能离子注渗技术的原理是将基体材料和钨材作为阴极放进真空室，并充入氩气，真空室在低真空的氩气条件下通电，使得原子在炉内辉光放电下进行离子化，产生的离子会在电场的作用下高速溅射到材料表面，并产生大量的热使基体加热到需要的温度，在基体表面上产生高密度的离子扩散通道，离子会沿着
【参考文献】：
期刊论文
[1]热处理工艺对DIEVAR热作模具钢组织与性能的影响[J]. 冯萧萧,苏钰,李军,雷佳乐,段志宇. 金属热处理. 2019(02)
[2]激光冲击强化H13热作模具钢的性能分析[J]. 王建杰,陈立宇,杨夏明,许桢英,杜金星,王匀. 热加工工艺. 2018(10)
[3]W、Mo离子注入对离子镀TiN薄膜表面结构和性能的影响[J]. 田斌,刘宝辉,岳文,王成彪. 表面技术. 2017(06)
[4]表面纳米化对316L不锈钢干摩擦性能的影响[J]. 杨诗婷,邢永明,姜爱峰,郎风超,李继军. 表面技术. 2016(10)
[5]硬度对H13热作模具钢热疲劳性能的影响[J]. 许书洋,左鹏鹏,吴晓春. 金属热处理. 2016(08)
[6]表面纳米化对316L不锈钢摩擦磨损性能的影响[J]. 张新锋. 铸造技术. 2015(10)
[7]Mn和W元素对4Cr2Mo2W2V模具钢热稳定性的影响[J]. 朱春燕,石楠楠,左鹏鹏,闵娜,吴晓春. 材料热处理学报. 2014(S2)
[8]几种热作模具钢性能研究[J]. 王琦,卢军,王静,沈育伟,孙维超. 热处理. 2014(06)
[9]辉光离子硫碳氮三元共渗后材料表面耐磨机理的研究[J]. 孙超. 武汉交通职业学院学报. 2014(04)
[10]表面超声滚压处理工艺对高速列车车轴钢表面状态的影响[J]. 陈利钦,项彬,任学冲,刘鑫贵,林国标. 中国表面工程. 2014(05)
博士论文
[1]高速列车锻钢制动盘热疲劳寿命评估研究[D]. 石晓玲.北京交通大学 2016
[2]超声表面滚压加工改善40Cr钢综合性能研究[D]. 王婷.天津大学 2009
硕士论文
[1]基于激光冲击强化的挤压模具延寿方法及机理研究[D]. 杜金星.江苏大学 2016
[2]碳钢离子渗碳化钨组织及耐磨性分析[D]. 张晓刚.山西农业大学 2014
[3]4Cr13不锈钢Nb改性层摩擦磨损及高温氧化性能研究[D]. 尤凯.太原理工大学 2013
[4]超声滚压加工对改善金属表面性能的研究[D]. 刘洁.青岛科技大学 2013
[5]超声金属表面纳米化及摩擦磨损性能研究[D]. 宋宁霞.天津大学 2007
[6]激光仿生耦合热作模具钢热疲劳性能研究[D]. 曹月.吉林大学 2006
本文编号：3525707
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
试样的光学显微图和三维形貌图(a1，a2)未喷丸，(b1，b2)喷丸，d=1.0mm，t=30min，f=50Hz；(c1，c2)喷丸，d=2.4mm，t=30min，f=50Hz[23]
第1章绪论5最大残余压应力值和残余压应力层深度随着激光功率密度的增大而增大。激光冲击次数越大，晶粒细化程度越高，但当冲击4次时冲击效果降低。其研究结果如下图1.2所示[28]。图1.2激光冲击后试样表面的微观形貌图(a)激光冲击1次(b)激光冲击2次(c)激光冲击3次(d)激光冲击4次[28]Fig.1.2Microscopicmorphologyofthesamplesurfaceafterlaserimpact(a)1laserimpact,(b)2laserimpacts,(c)3laserimpacts,(d)4laserimpacts1.2.3超声表面滚压超声表面滚压（UltrasonicSurfaceRollingProcessing，USRP）纳米化是金属表面自纳米化方法中新发展的一种表面改性技术，该技术广泛应用于机械制造和维修领域。超声表面滚压技术的原理是用外加载荷重复冲击或挤压金属材料的表面，使得金属表面发生严重的塑性变形，在反复轧制的作用下，表面的粗晶组织逐渐细化成纳米量级，显微组织结构发生改变。纳米化后由于存在梯度纳米结构使复合层的硬度、摩擦性能、耐腐蚀性能和抗热疲劳性能提高。表面所产生的残余压缩应力可改善材料表面的应力分布状态，显著降低材料表面的粗糙度。经超声滚压后多晶体金属材料表面的自由能增加，是由于纳米化使晶粒数量变多，晶界面积增多，原子扩散的快速通道增多，原子在晶界处能量较高，表面的机械孪晶、空位、位错等非平衡缺陷也可提高材料表面的活性，降低原子扩散的驱动力。
第1章绪论7粒尺寸为3-7nm，表面的纳米晶层有近百微米，表面组织呈梯度分布，相比于原始母材，经超声表面滚压处理的材料表面具有更优的摩擦磨损性能和腐蚀性能。其研究结果如下图1.3所示[33]。刘洁等人通过对45号钢的性能研究，讨论了超声滚压的加工参数对试样的影响。结果表明工艺参数选取恰当能降低或者消除材料的表面缺陷[34]。黄元林等人通过超声滚压对电弧喷涂3Cr13涂层进行表面预处理，结果表明经超声滚压可得到大深度、高值的残余压应力，可使涂层的硬度提高，晶粒细化，加工纹理消除，组织致密化，孔隙率降低，粗糙度得到改善。因此超声表面滚压处理可以辅助其他表面物理化学处理过程顺利地进行[35]。图1.3超声表面滚压处理设备示意图[33]Fig.1.3SchematicdiagramofUSRPequipment1.3高能离子注渗合金化高能离子注渗技术（HighEnergyIonImplantation，HEII）是应用前景非常广阔的一种表面改性技术，它是指将几万到几十万电子伏特的高能离子注入材料表面，获得新的稳定相或者亚稳态合金相（取决于材料温度与离子溶解度），从而形成与基体的成分和结构不同的注渗层，使材料表面的物理、化学和机械性能发生改变。高能离子注渗技术的原理是将基体材料和钨材作为阴极放进真空室，并充入氩气，真空室在低真空的氩气条件下通电，使得原子在炉内辉光放电下进行离子化，产生的离子会在电场的作用下高速溅射到材料表面，并产生大量的热使基体加热到需要的温度，在基体表面上产生高密度的离子扩散通道，离子会沿着
【参考文献】：
期刊论文
[1]热处理工艺对DIEVAR热作模具钢组织与性能的影响[J]. 冯萧萧,苏钰,李军,雷佳乐,段志宇. 金属热处理. 2019(02)
[2]激光冲击强化H13热作模具钢的性能分析[J]. 王建杰,陈立宇,杨夏明,许桢英,杜金星,王匀. 热加工工艺. 2018(10)
[3]W、Mo离子注入对离子镀TiN薄膜表面结构和性能的影响[J]. 田斌,刘宝辉,岳文,王成彪. 表面技术. 2017(06)
[4]表面纳米化对316L不锈钢干摩擦性能的影响[J]. 杨诗婷,邢永明,姜爱峰,郎风超,李继军. 表面技术. 2016(10)
[5]硬度对H13热作模具钢热疲劳性能的影响[J]. 许书洋,左鹏鹏,吴晓春. 金属热处理. 2016(08)
[6]表面纳米化对316L不锈钢摩擦磨损性能的影响[J]. 张新锋. 铸造技术. 2015(10)
[7]Mn和W元素对4Cr2Mo2W2V模具钢热稳定性的影响[J]. 朱春燕,石楠楠,左鹏鹏,闵娜,吴晓春. 材料热处理学报. 2014(S2)
[8]几种热作模具钢性能研究[J]. 王琦,卢军,王静,沈育伟,孙维超. 热处理. 2014(06)
[9]辉光离子硫碳氮三元共渗后材料表面耐磨机理的研究[J]. 孙超. 武汉交通职业学院学报. 2014(04)
[10]表面超声滚压处理工艺对高速列车车轴钢表面状态的影响[J]. 陈利钦,项彬,任学冲,刘鑫贵,林国标. 中国表面工程. 2014(05)
博士论文
[1]高速列车锻钢制动盘热疲劳寿命评估研究[D]. 石晓玲.北京交通大学 2016
[2]超声表面滚压加工改善40Cr钢综合性能研究[D]. 王婷.天津大学 2009
硕士论文
[1]基于激光冲击强化的挤压模具延寿方法及机理研究[D]. 杜金星.江苏大学 2016
[2]碳钢离子渗碳化钨组织及耐磨性分析[D]. 张晓刚.山西农业大学 2014
[3]4Cr13不锈钢Nb改性层摩擦磨损及高温氧化性能研究[D]. 尤凯.太原理工大学 2013
[4]超声滚压加工对改善金属表面性能的研究[D]. 刘洁.青岛科技大学 2013
[5]超声金属表面纳米化及摩擦磨损性能研究[D]. 宋宁霞.天津大学 2007
[6]激光仿生耦合热作模具钢热疲劳性能研究[D]. 曹月.吉林大学 2006
本文编号：3525707
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