【正文】 從中可以看出離子氮化雖對(duì)基體起到預(yù)先硬化的作用，提高了基體對(duì) CrAlN 薄膜的承載能力，但因膜 /基結(jié)合力較弱，并未對(duì)膜層的耐磨性起到支撐作用。/(N?m)。/(N/(N 圖 314 H13 鋼、 H13+CrAlN 和氮化 H13+CrAlN 在 600℃摩擦后的摩痕形貌 36 在載荷為 5N 時(shí)，以 Si3N4 為摩擦副的 600℃高溫摩擦條件下H13+CrAlN 和氮化 H13+CrAlN 的表面耐磨性用摩擦后磨損率的倒數(shù)來評(píng)價(jià)。由圖 314(c)可以看出，氮化 H13+CrAlN 試樣摩擦表面的犁溝不是很明顯，由于受膜 /基結(jié)合力的影響較小，主要以硬質(zhì)膜層剝落為主；因基體 H13 鋼表面預(yù)先進(jìn)行了氮化，表面所形成的氮化層阻止了氧元素與鐵元 素的接觸使得氧化難以進(jìn)行，因此剝落的 CrAlN 膜層易被摩擦副壓入表層，可以看到顆粒狀物質(zhì)對(duì)硬化表面產(chǎn)生的微觀切 削 作用。由圖 314(b)可以看出，H13+CrAlN 試樣摩擦表面除了有犁溝外，小溝槽表面上形成分散的片狀和脫落的帶狀硬質(zhì)膜層，膜層磨損是微觀犁削與疲勞剝落共同作用的結(jié)果。但由于存在硬質(zhì)膜層的剝落，其中一部分膜層剝落會(huì)脫離摩擦系統(tǒng)，另一部分膜層剝落會(huì)進(jìn)入摩擦軌道從而使鋁 、鐵元素的氧化難以進(jìn)行，摩擦系數(shù)隨后增加。當(dāng)磨痕中鋁選擇性氧化生成 Al2O3 在摩擦過程中起潤滑作用時(shí)，摩擦系數(shù)開始降低。而氮化 H13+CrAlN 表面膜層摩擦?xí)r因?yàn)槟?/基結(jié)合力較?。y得其膜 /基結(jié)合力 Lc 為 N，而前者為 N），高溫摩擦到一段距離后，硬質(zhì)膜層從基體表面剝落，導(dǎo)致摩擦副直接與基體表面接觸，使得其表面膜層摩擦系數(shù)急劇下降后趨向于 H13 鋼的摩擦曲線。在高溫摩擦?xí)r，隨滑行距離的增大， H13 鋼表面摩擦系數(shù)在 上下波動(dòng)，而 H13+CrAlN 和氮化 H13+CrAlN 表面膜層的摩擦系數(shù)出現(xiàn)了很大幅度的變化。 圖 312 H13+CrAlN 和氮化 H13+CrAlN 薄膜的 SEM 圖 從圖 312 中可以看出膜層的晶體生長致密， 顆粒清晰可見，但有大顆粒存在；通過比較圖 2(a)、 (b)可知，表面預(yù)先進(jìn)行離子氮化處理后的 H13 表面 (b)濺射沉積時(shí)形成了比較多的大顆粒。但是 CrN 在 560℃時(shí)開始氧化，因而國內(nèi)外研究人員在磁控濺射 CrN 膜層中引入 Al 元素，使膜層硬度和熱穩(wěn)定性得到了提高并使其抗氧化溫度達(dá)到 800～ 900℃。常用的是氣體滲氮和離子滲氮。傳統(tǒng)的氣體滲氮是把工件放入密封容器中，通以流動(dòng)的氨氣并加熱，保溫較長時(shí)間后，氨氣熱分解產(chǎn)生活性氮原子，不斷吸附到工件表面，并擴(kuò)散滲入工件表層內(nèi)，從而改變表層的化學(xué)成分和組織，獲得優(yōu)良的表面性能。滲氮，是在一定溫度下一定介質(zhì)中使氮原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝。 表 33 H13（ 4Cr5MoSiV1） 鋼推薦的回火規(guī)范 回火目的 回火溫度 /℃ 加熱設(shè)備 冷卻 回火硬度（ HRC） 清除應(yīng)力和降低硬度 560～ 580 熔融鹽浴或空氣爐 空氣 47～ 49 表面處理對(duì) H13 鋼硬度的影響 表面處理 是 在基體材料表面上人工形成一層與基體的機(jī)械、物理和化學(xué)性能不同的表層的工藝方法。 從圖 310 的 實(shí)驗(yàn) 結(jié)果看， H13 鋼在 500600℃的較高溫度范圍內(nèi)的回火穩(wěn)定性都比較好，能夠維持較高的硬度，這對(duì)提高熱作模具的耐磨性非常有利。 合金鋼回火穩(wěn)定性較高，一般是有利的。這些影響的結(jié)果使淬火鋼回火時(shí)變得更為穩(wěn)定，其硬度不易隨回火溫度的升高而降低。回火穩(wěn)定性是零件回火后的硬度與再經(jīng)相同的回火溫度再回火一次后的硬度差 ,差別越小回火穩(wěn)定性越好。這些回火組織比馬氏體硬度要低?；鼗鸱€(wěn)定性也是與回火時(shí)組織變化相聯(lián)系的，它與鋼的熱穩(wěn)定性共同表征鋼在高溫下的組織穩(wěn)定性程度，表征模具在高溫下的變形抗力。 回火穩(wěn)定性指隨回火溫度升高，材料的強(qiáng)度和硬度下降快慢的程度，也稱回火抗力或抗回火軟化能力。圖 310 給出了經(jīng)1020℃油淬后在 540℃、 580℃、 600℃不同溫度回火 2 次 2h 的 H13 鋼在室溫、 100～ 650℃ 實(shí)驗(yàn) 溫度下的熱硬性。 30 圖 39 高溫力學(xué)性能 （ 1020℃油淬 580℃兩次回火） 熱 硬性 和回火穩(wěn)定性 熱硬性是指鋼在較高溫度下，仍能保持較高硬度的性能。 圖 37 H13 鋼經(jīng)淬火回火后的塑性 29 圖 38 H13 鋼經(jīng)淬火回火后 沖擊韌性 aK 2. 高溫力學(xué)性能 圖 39 給出了 H13 鋼經(jīng) 1020℃油淬 580℃兩次回火后高溫力學(xué)性能，由圖可知，隨溫度升高， H13 鋼的強(qiáng)度硬度指標(biāo)下降，而塑性指標(biāo)（包括沖擊韌性、塑性延伸率、斷面收縮率）均有所升高。 由 圖 38 可以看出，鋼的沖擊韌性對(duì)最終熱處理工藝不很敏感，以 1020℃ 淬火 +580℃ 三次回火獲得較高沖擊韌性。 600℃ 回火雖然處于谷點(diǎn)，但仍具有足夠的塑性 性能， δ% 大于 5%， ψ% 大于 35%。 圖 37表示 H13（ 4Cr5MoSiV1） 鋼的 δ% 與 ψ% 隨淬火溫度及不同溫度回火后的變化。 隨著回火溫度的變化， 580℃ 、600℃ 回火，鋼獲得高強(qiáng)度，鋼的彌散強(qiáng)化效果在 600℃ 左右達(dá)到峰值。由圖 36可見，隨著淬火溫度的升高， 殘留奧氏體量也將增加，而較低的淬火加熱溫度坯料的韌性將更好，淬火開裂現(xiàn)象也會(huì)減少， 由于奧氏體中的碳及合金元素的溶解量增加，回火后強(qiáng)度升高?；鼗鸷笥屠?，以防止高溫回火脆性的產(chǎn)生。 淬火采用油冷，適當(dāng)增加殘余奧氏體量以利于回火時(shí)的轉(zhuǎn)變。第二次回火：使 H13（ 4Cr5MoSiV1） 鋼 硬度穩(wěn)定， H13（ 4Cr5MoSiV1） 鋼 采用 620℃ 回火，硬度達(dá)到 44HRC 時(shí)，具有強(qiáng)度、韌性、耐磨、抗冷、熱疲勞最佳搭配的綜合性能。 表 32 H13(4Cr5MoSiV1)鋼最終熱處理后室溫 力學(xué) 性能 試樣號(hào) 機(jī)械性能 σ b MPa δ % ψ % aK MPa回火過程的應(yīng) 力釋放對(duì)于降低模具鋼在后續(xù)機(jī)械加工和使用過程中出現(xiàn)開裂現(xiàn)象相對(duì)有利。 25 圖 34 H13 鋼 1020℃油淬后不同溫度兩次回火后的硬度曲線 1. 室溫力學(xué)性能 圖 35 淬火和回火的變形率 26 圖 35 給出了 H13 鋼淬火和不同溫度回火的變形率，從圖中看出，隨回火溫度的升高， H13 鋼的變形率有所升高，當(dāng)回火溫度為 600℃時(shí)， H13 鋼的變形率達(dá)到峰值 %。從曲線中看出， H13 鋼在回火過程中，隨回火溫度的升高，在 500℃左右出現(xiàn)了二次硬化現(xiàn)象，這可能與 H13 鋼中組織的碳化物析出有關(guān)。 不同溫度 回火 后的 性能測試 H13 鋼的淬火組織是細(xì)針馬氏體 +未溶碳化物 +殘留奧氏體，為了消除淬火應(yīng)力和殘留奧氏體，并使馬氏體韌化，必須進(jìn)行 2～ 3 次高溫回火，淬火后的模具溫度在低于 70℃ 時(shí)應(yīng)盡快回火，這對(duì)尺寸較大形狀復(fù)雜的熱作模具鋼尤為重要，為了避免熱作模回火時(shí)產(chǎn)生殘留應(yīng)力，在回火加熱和冷卻時(shí)應(yīng)緩慢進(jìn)行。 24 圖 33 H13 鋼經(jīng) 560℃回火后的金相顯微組織 H13 鋼經(jīng)淬火回火后的金相顯微組織主要為回火馬氏體 +殘余奧氏體 +少量碳化物，圖 33 給出了 H13 經(jīng) 560℃回火后的金相顯微組織。 為獲得最佳熱處理工藝參數(shù)，參考 H13 鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線（ TTT 曲線）及相變臨界溫度，結(jié)合已有 H13 熱作模具鋼的熱處理經(jīng)驗(yàn)，本論文在不超過 700℃的回火溫度范圍內(nèi) ， 進(jìn)行了多組對(duì)比 實(shí)驗(yàn) ，最終 通過 實(shí)驗(yàn) 結(jié)果來最終確定最佳 回火 溫度。 回火一般緊接著淬火進(jìn)行，其目的是： （ a）消除工件淬火時(shí)產(chǎn)生的殘留應(yīng)力，防止變形和開裂； （ b）調(diào)整工件的硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性，達(dá)到使用性能要求； （ c）穩(wěn)定組織與尺寸，保證精度； （ d）改善 和提高加工性能。一般用以減低或消除淬火鋼件中的內(nèi)應(yīng)力，或降低其硬度和強(qiáng)度，以提高其延性或韌性。 不同回火工藝對(duì) H13 鋼性能的影響 H13 鋼 回火 溫度范圍的選取 鋼的回火是 將經(jīng)過淬火的工件重新加熱到低 于下臨界溫度的適當(dāng)溫度，保溫一段時(shí)間后在空氣或水、油等介質(zhì)中冷卻的金屬熱處理工藝。 23 表 31 H13 鋼推薦的淬火 工藝參數(shù) 淬火溫度 /℃ 冷卻 硬度（ HRC） 介質(zhì) 介質(zhì)溫度 /℃ 冷卻到室溫 1020～ 1050 油或空氣 20～ 60 56～ 58 淬火加熱階段的預(yù)熱 ，可避免過快的加熱速度引起坯料內(nèi)部過大的熱應(yīng)力 ， 防止模具產(chǎn)生變形 ， 預(yù)熱還有效地促進(jìn)了奧氏體的均勻化。淬火溫度比退火溫度高， H13（ 4Cr5MoSiV1） 鋼在淬火加熱時(shí)，應(yīng)采取措施防止氧化脫碳和燒損。因含鉻量較多，具有較高的淬透性，厚度為 150mm 的 件可油冷淬透。 H13 鋼 不同溫度淬火后的硬度 和晶粒度變化曲線 示于圖 32。實(shí)際淬火溫度的選定 既要保證奧氏體中溶有足夠的碳和合金元素以得到高的硬度和紅硬性 ,又要保證奧氏體晶粒度大于或等于 9 級(jí)，以保證足夠的韌性。金屬晶粒的尺寸 (或晶粒度 )對(duì)其在室溫及高溫下的機(jī)械性質(zhì)有決定性的影響，晶粒尺寸的細(xì)化也被作為鋼的熱處理中最重要的強(qiáng)化途徑之一。淬透性是指在規(guī)定條件下，決定鋼材淬硬深度表面至半馬氏體層的深度，由表面至半馬氏體層的深度越大，材料的淬透性越高。硬度 實(shí) 驗(yàn) 根據(jù)其測試方法的不同可分為靜壓法（如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等）、劃痕法（如莫氏硬度）、回跳法（如肖氏硬度）及顯微硬度、高溫硬度等多種方法。硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)，它既可理解為是材料抵抗彈性變形、塑性變形或破壞的能力，也可表述為材料抵抗殘余變形和反破壞的能力。 不同溫度淬火后的硬度 和晶粒度 圖 32 不同溫度淬火后的硬度 和晶粒度變化曲線 22 材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度。也可以通過淬火滿足某些特種鋼材的鐵磁性、耐蝕性等特殊的物理、化學(xué)性能。 H13 鋼 淬火溫度范圍的選取 鋼的淬火是將鋼加熱到臨界溫度 Ac3（亞共析鋼）或 Ac1（過共析鋼）以上溫度，保溫一段時(shí)間，使之全部或部分奧氏體 1 化，然后以大于臨界冷卻速度的冷速快冷到 Ms 以下（或 Ms 附近等溫）進(jìn)行馬氏體（或貝氏體）轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。如亞共析鋼中碳含量為下限，當(dāng)裝爐量較多，欲增加零件淬硬層深度等時(shí)可選用溫度上限；若工件形狀復(fù)雜，變形要求嚴(yán)格等要采用溫度下限；同一鋼種的 零件淬火時(shí)若采用冷卻能力大的冷卻劑 (如水淬用氫氧化鈉水，油淬用柴油 )溫度應(yīng)取下21 限，反之則取上限；鹽浴爐速度快、均勻、變形小、脫碳少及加熱時(shí)間短取上限，箱式爐加熱時(shí)間長應(yīng)取下限。通常亞共析鋼淬火是將其加熱到 Ac3 以上某一溫度，取 Ac3+（ 30～ 50℃）；過共析鋼或共析鋼加熱溫度在 Ac1～ Acm 之間，取 Ac1+（ 30 ～ 50℃），大件取上限，細(xì)晶粒鋼有時(shí)取更高溫度。 奧氏體化溫度 1010℃。圖 31 是 H13 鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線， 該圖為我們確立熱處理工藝范圍提供了一定的理論基礎(chǔ)。使用壽命遠(yuǎn)高于第一代模具鋼 5CrNiMo和 3Cr2W8V。該鋼具有較高的熱強(qiáng)度和硬度，在中溫條件下具有很好的韌性 ?熱疲勞性和一定的耐磨性，不易產(chǎn)生熱疲勞裂紋，且抗粘結(jié)力強(qiáng)，與熔融金屬相互作用小 ， 而且可以抵抗熔融鋁的沖蝕作用?？梢愿鶕?jù)鋼的 C 曲線圖形，計(jì)算出鋼的臨界冷卻速度；根據(jù) C 曲線圖形的特點(diǎn)，可以預(yù)先估計(jì)鋼熱處理后的組織；利用它可作為確定鋼的等溫退火、等溫 淬火 、分級(jí)淬火的等溫范圍的 主要參數(shù)的依據(jù)。 C 曲線分四個(gè)區(qū)域， A1 以上為穩(wěn)定的 奧氏體 區(qū)域。以溫度為縱坐標(biāo)，時(shí)間對(duì)數(shù)為橫坐標(biāo)，將相同性質(zhì)的相轉(zhuǎn)變開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)分別連成曲線，并標(biāo)明最終組織和硬度值以及 Ms 點(diǎn)、 Ac Ac3 點(diǎn)的臨界值。在熱力模擬 實(shí)驗(yàn) 機(jī)上將試樣置入膨脹儀中，加熱到奧氏體化溫度保溫后，以不同的速度連續(xù)冷卻到室溫 。鋼在加熱或冷卻時(shí)，除了熱脹冷縮引起體積變化之外，還有因相變引起的體積變化，在冷卻曲線上出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。用 TR240 便攜式表面粗糙度儀測 得磨痕深度，進(jìn)而獲得磨損體積 V，通過 V/（ N 載荷 *L 滑行距離）獲得膜層磨損率。首先需要考慮零部件的具體工作條件并確定磨損形式，然后選定合適的 實(shí)驗(yàn) 方法，以便使 實(shí)驗(yàn) 結(jié)果與實(shí)際結(jié)果較為吻合。通過這種 實(shí)驗(yàn) 可以比較材料的耐磨性優(yōu)劣。18 最后測定以上試樣的室溫硬度。 熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn) 熱穩(wěn)定性試樣是在沖擊實(shí)驗(yàn)后的沖擊試樣上截取的 10 10 15