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本文针对实际生产中H13钢挤压模在高温、高压及强力摩擦的作用下常存在热磨损、热疲劳、粘着腐蚀等过早失效的现状,结合常规H13钢热处理工艺提出了H13钢盐浴RE-N-C-S-V-Nb多元共渗复合表面强化和改性的处理方案,用硼砂、硫氮碳基盐、钒和铌的氧化物作为渗剂,铝粉作为还原剂,并添加适量混合稀土进行共渗实验研究。
采用正交试验的分析方法对多元共渗的温度与时间两个重要工艺参数进行了优化,对试样分别采用S-3400N型扫描电子显微镜及其配套的能谱仪、X射线衍射等分析方法对不同处理工艺条件下的渗层组织形貌、渗层成分和物相组成进行分析,探讨了共渗温度与时间对渗层组织结构的影响。优化结果归纳为:预渗处理温度570℃,预渗保温时间3.5h,盐浴淬火温度1010℃,淬火保温时间1.2h,盐浴回火温度575℃,回火时间4h,回火两次。研究过程利用热力学分析了渗层形成的微观机制,利用动力学分析了共渗反应进行的速率,建立了扩散原子的微观行为和宏观参量之间的关系以及渗层生长的动力学数学模型。
本文研究发现,盐浴RE-N-C-S-V-Nb多元共渗处理的H13钢组织结构和力学性能比单纯调质后氮化处理的优异。经优化温度与时间参数工艺处理后,具有7～8μm高硬度和高熔点的V、Nb氮碳化合物渗层,过渡层厚度达82～90μm,且过渡层中存在Fe4N、CrN、VN等强化相,渗层总体硬度比氮化处理后的要高,硬度的梯度分布比较平缓,高温抗氧化性、抗疲劳性能均好。为改善H13钢铝型材挤压模具早期失效提供了理论基础和应用依据。