新型合金工具钢软氮化特性的初步探索.pdf

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第35卷第4期
责州エ业大学学报(自然科学版)
Vol35 No4
2006年8月
JOURNAL OF GUIZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
August 2006
(Natural Science Dition
文章编号:1009-0193(2006)04-0022-03
新型合金工具钢软氮化特性的初步探索
梁益龙,杨闯,卜珍凯
(贵州大学材料科学与治金工程学院,贵州贵F阳550003)
摘要:对一种新型合金工具钢的渗氩特性进行了初步研究。結果表明,该钢经过软氩化,渗
层硬度梯度平缓,表面硬度达IV1100-1300,心部硬度为HV800-900.渗层显微组织是以y
相为主的扩散层,与传统的高速钢比较,在相同工艺条件下渗速较快,渗层脉状魚化物级别低,
脆性小,耐磨性更佳。
关键词:合金工县钢;软氩化;显微组织;脆性;耐磨性
中图分类号;TG156.82
文献标识码:A
钨系 Wio Cr,V和钨钼系 WMOS Cra V2的高速工具钢由于其优良的强硬性,高的耐磨性和红硬性,得到
了广泛的应用叫。由于合金元素钨、钼、钒等的短缺和昂贵,如何节省高速工具钢中合金元素的用量已成为
高速工具钢发展中十分重要的课题。
根据我国资源的特点,采用合金化理论及试验探索,研制了一种GDL-4型的合金工具钢。该钢以廉价
的Si、Cr、Mn为主加元素,添加少量W、Mo、V、AI等合金元素组成,以替代价格昂贵的传统高速钢。
表面强化技术是提高合金工具钢使用性能的一项有效措施,氮化作为表面强化的重要手段,广泛应用
于工作温度较髙,要求具有高的耐磨性红硬性和变形小、尺寸稳定的阀『门]、压缩机滑片等零构件上,同时提
高其耐磨性和使用寿命2。本文通过实验探索了该新型工具材料的软氮化渗层组织及性能特性,为实际应
用奠定基础。
1试验材料和方法
试验材料采用最新研制的GDL-4型合金工具钢,用中频感应加热炉熔炼,铸锭经锻造预先热处理后加
工成各种试样,对比试验选用M2钢。
试样经1070℃淬火后550℃高温回火三次,硬度值为HIRC63-65.渗氮在RN6-4506型75kW
380V滴注式专用渗氮炉中进行,渗氮工艺为:50℃×3h软氮化,试样渗氮后空冷。用HVS1000型显微硬
度计测量试样的显微硬度,载荷1.98N,加载时间为15s.用 OLYMPUS光学显微镜淝察相组成和显微组
织。在M-200磨损试验机上进行对滚耐磨试验,被測样品为条形样,尺寸为6mmx7mm×40mm,对磨
样品为圆形合金铸铁样,尺寸为q~40mm×x10mm.在试验前加一次冷冻机油进行润滑,載荷30kg,试验时间
为3h,以样品失重量作为耐磨性能。
2试验结果及分析
2.1渗层的相结构和显微组织分析
钢的渗氮由氮化介质的分解活性氮原子被工件吸收及氮原子向工件内部扩散三部分组成],铁、合金
元素和氮之间必然形成氮化物和固溶体。由于a-Fe中氮的固溶量很少,很快达到饱和,随着氮的不断渗
收稿期:2006-05
基金项目:贵阳市科技局产业化项(编号200341)
作者简介:梁益龙(1956-),男,贵州贵阳人,教授,省管专家,硕士生导师,从事材料强度与新材料的研究。
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第4期
梁近龙,等:新型合金工具钢软気化特性的初步探索
入,随后形成含氮量较高的y-FeN,最后逐渐形成含氮量更高,成分变化范围很宽的e-Fe2-3N.新材料
中含有大量的Cr及少量的W、Mo、AI等强氮化物形成元素,易于形成氮化物,消耗了大量的氮原子,加之软
氮化温度高、时间短,促使氮原子向内扩敬,由于γ含氮量较ε低,GDL-4钢软氮化后表面形成以γ为主的
扩散层,合金氮化物、碳氮化物弥散分布于扩散层中,未见连续的∈相形成。两种材料渗层显微组织对比见
图1
(a)GDL-4
图1GDL-4钢和M2钢软氩化组织500
通过金相显微观察表明,GDL-4钢软氮化后形成的扩散层要比M2钢深。氮化层的形成实际上是工
件从氮化气氛中吸收氮量和向工件内扩散氮量之间的平衡过程]。由于新材料中含有大量强氮化物形成
元素,在渗氮初期,这些元素和氮有很强的亲和力,具有很高的氮吸收速率,可迅速堆积较多的活性氮原子,
氮浓度梯度髙。扩散阶段,新材料中非氮化物形成元素i与N的亲和力很小,可起到阻碍N原子聚集的作
用,从而推动N原子较快的向内扩散,形成较平缓的氮浓度梯度,因而有一定提高渗速的作用。M2钢在渗
氮初期较多的氮原子堆积在表面,扩散阶段由于强氮化物形成元素W、Mo、Cr等的拖曳作用,会阻碍氮原子
向内扩散,工件表面活性降低,驱动力减小。故在相同条件下渗氮,GDL-4钢的渗速较M2钢更快,可获得
更深的扩散层。
此外,在新材料渗层中未观察到有明显的脉状氮化物见图2(a),而在M2钢中,则能观察到明显的脉状
氮化物见图2(b).这是因为新材料中非氮化物形成元素Si可阻止化合物聚集的作用也可使化合物均匀分
布,从而使得新材料中脉状氮化物的级别较低。
a) GDL-4
M
图2GDL-4钢和M2钢渗层织1000X
2.2显微硬度曲线
图3是GDL-4钢和M2钢的软氮化测得的渗层显微硬度梯度曲线。由图3可知新材料软氮化后硬度
随着渗层的加深显徴硬度减小要比M2钢慢得多,硬度梯度比M2钢的硬度梯度更加平缓。根据合金工具钢
氮化后的应用要求,显微硬度在IHV1000-1300之间更适合合金工具钢的服役条件,合金工具钢要具有高的
耐磨性、低的脆性和高的红硬性4。由于新材料中所含的合金元素远低于M2钢,GDL-4钢软氮化后最高
显微硬度为HV1288,M2钢为HV1387,两种材料心部硬度相差不大,心部硬度为HV800-900.实验表明
GDL-4钢的耐磨性比M2钢高,通过实际应用中经验观察可以看出M2滑块在相互碰撞是更易发生祾边崩