等离子表面热处理对AISI H13钢摩擦学性能的影响

• 作 者: 王培
• 出 处: 江苏大学
• 发表日期: 2019年01期
• 关键词: H13钢 离子渗氮 离子氮碳共渗 低温离子渗硫 摩擦学性能

AISI H13（4Cr5MoSiV1）模具钢具有高韧性、高红硬性、高抗冷热疲劳性等优点,是应用最广泛的工模具钢之一,但由于其硬度和耐磨性较差,当作为压铸铝模具和无缝钢管穿孔顶头在高温高压环境工作时,会产生严重的氧化、粘附和磨损现象,极大地降低了生产效率,增加了成本。可以通过等离子表面热处理工艺对其进行改善。本文通过对H13钢分别进行离子渗氮、离子氮碳共渗和离子渗硫等表面处理手段来改善其摩擦学性能。离子渗氮和离子氮碳共渗处理通过在表面生成以ε和γ′相为主的渗层来提高材料的耐磨性;而离子渗硫主要通过较低的温度和较短的保温时间在表面生成以FeS为主的渗硫层来达到减磨的效果。通过XRD、SEM等各种表征手段以及摩擦磨损试验对处理后的材料进行了微观组织与摩擦学性能研究,主要研究内容及结论如下:（1）在100 Pa恒压条件下对H13钢进行离子渗氮处理,研究了不同温度、氮气氢气比例和不同时间条件下的摩擦学性能。首先,在N₂/H₂=1/2的气氛中,分别以480℃、500℃和520℃条件下保温6 h。结果表明,随着温度的升高,化合物层逐渐变厚,渗层厚度没有发生明显的变化,厚度为140μm左右。在500℃条件下处理的样品具有较好的摩擦学性能。其次,在N₂/H₂为1/2、1/1和2/1条件下,500℃恒温保温6 h。结果发现,随着混合气氛中氮气比例的增加,化合物层中更趋向于生成ε-Fe_2-3N相,材料的耐磨性也逐渐增强,当N₂/H₂=2/1时耐磨性最强。最后,在500℃,N₂/H₂为2/1的条件下将保温时间延长为8 h,发现化合物层和扩散层的厚度都有所增加,渗层厚度较6 h时增加了约20μm,耐磨性比保温6 h时提高了1/3,相对于未渗氮处理样品提高了15倍左右,具有更好的摩擦学性能。（2）在N₂/H₂=2/1的渗氮气氛中通入少量的甲烷作为碳源进行不同温度的离子氮碳共渗处理,保温时间为6 h。结果发现,共渗层的化合物层主要由ε-Fe_2-3（C、N）、γ′-Fe₄N和CrN构成,表面硬度较离子渗氮低,表面形貌较平整,共渗层的厚度小于渗氮层,然而耐磨性较好,且500℃共渗处理的样品具有更好的耐磨性。（3）对H13钢分别进行不同温度的离子渗硫处理,保温时间为2 h,结果表明,随着温度升高,渗硫层的厚度增加。未渗硫处理、150℃渗硫和170℃渗硫样品的摩擦系数分别为0.75、0.72、0.65,渗硫样品的摩擦系数随着渗硫温度的升高逐渐降低,归因于渗硫层中生成了具有密排六方晶体结构的FeS化合物,受力时易沿密排面滑移,故剪切强度低,具有很好的抗擦伤性能与减磨效果,磨损率相对于未渗硫处理样品降低了4倍多。