Cr12稀土鉻釩共滲覆層組織性能的研究

蘇 謀，黃福祥，曹登駒，趙燕燕，姜智梟

(1.重慶理工大學材料科學與工程學院，重慶 400054;2.重慶萊斯硬化技術研究所，重慶 400084)

TD(thermal diffusion carbide coating process)處理技術是一種先進的冷作模具表面改性技術，包括熔鹽浸鍍法、粉末法和電解法，能夠大大改善模具表面的綜合性能，延長其使用壽命［1-5］。由于該技術具有設備簡單，操作方便，生產成本低，處理后所形成的碳化物具有性能良好等優點，近些年來被廣泛應用［6］。稀土元素由于特殊的電子結構，在化學熱處理過程中能縮短熱處理周期，降低熱處理溫度，節約能源，并對工件滲層的組織和性能有明顯改良作用［7-9］。我國稀土資源豐富，通過對稀土在滲層中的作用機理研究，可充分發揮資源優勢，從而獲得最佳的技術經濟效益［10-15］。

本文利用TD處理獲得鉻釩共滲及鉻釩稀土的碳化物覆層，并對覆層性能進行研究分析，以期得到稀土元素在共滲層中對滲層的影響，從而延長模具使用壽命。

1 試驗方法及設備

本實驗所采用的鹽浴主要成分為基鹽工業硼砂、供鉻劑、供釩劑、還原劑、活化劑和稀土硅鐵等。基體材料是最常用的冷作模具鋼Cr12和Cr12MoV，其化學成分(wt%)見表1。

表1 Cr12和Cr12MoV的化學成分

對基材進行鹽浴稀土鉻釩多元共滲。試樣經拋光、除油、除銹等預處理后，將工業硼砂除水熔融，其他鹽浴成份混合均勻，預熱干燥后，加入坩堝入爐加熱熔融。試樣經400℃預熱30 min，待熔鹽熔化均勻后置入坩堝爐，共滲溫度940℃，保溫4 h，滲后試樣直接油淬，后經180℃ ×2 h回火，沸水水浴2 h處理。

利用HVS-1000顯微硬度計測量滲層表面顯微硬度，載荷50 g，保持載荷12 s。利用金相顯微鏡Axio Imager A10對滲層進行厚度測量。利用DX-2500型X射線衍射儀分析滲層物相。

2 試驗結果與分析

2.1 共滲層厚度及金相組織

Cr12模具鋼經鉻釩共滲及稀土鉻釩多元共滲后，滲層金相組織如圖1所示。鉻釩共滲滲層厚度為3.5 μm，經稀土鉻釩共滲后滲層厚度達到5.4 μm。

圖1 覆層金相顯微照片(500×)

從圖1中可以明顯看到:Cr12冷作模具鋼經鉻釩共滲所得覆層凹凸不平、連續性較差，而經稀土鉻釩共滲后所得覆層表面更加平整、均勻，且連續提高、致密性更好。

2.2 共滲層硬度

利用HVS-1000顯微硬度計對Cr12冷作模具鋼所得覆層進行表面顯微硬度測量，施加載荷為50 g，保荷時間為12 s。鉻釩共滲層所得硬度為1 733 HV0.05，而稀土鉻釩共滲所得滲層顯微硬度達到了2 120 HV0.05，覆層的顯微硬度值顯著提高。

2.3 共滲層相結構及組織形貌分析

Cr12、Cr12MoV模具鋼經稀土鉻釩多元共滲前后滲層XRD圖譜如圖2、3所示。

圖2 鉻釩共滲后覆層X射線衍射圖譜

圖3 稀土鉻釩共滲后覆層X射線衍射圖譜

由圖2、3可知:Cr12模具鋼經鉻釩共滲、稀土鉻釩共滲后，滲層物相均主要由VC、Cr23C6、Cr7C3等相組成。與鉻釩共滲(圖2)所得覆層各個物相對應峰值強度相比，稀土鉻釩共滲覆層(圖3)各物相峰值強度明顯提高，表明稀土元素在共滲中有明顯催滲作用，使得擴散到覆層中的鉻釩含量增加，從而提高形成碳化物含量。

圖4為Cr12模具鋼在940℃ ×4 h的條件下經TD鹽浴處理后所得覆層在掃描電鏡(SEM)放大2 000倍下的照片。

圖4 覆層組織SEM照片(2000×)

從圖4可以看出:Cr12模具鋼在鉻釩共滲(圖4(a))、稀土鉻釩共滲(圖4(b))中所形成的覆層厚度均勻，與基體形成了一個過渡性良好的平坦界面，結合緊密，且所得覆層的致密性良好。Cr12模具鋼經稀土鉻釩共滲(圖4(b))后，滲層組織結構更加緊密，表面更趨于平坦且碳化物分布更加均勻，從而使得表面顯微硬度值顯著提高(2 120 HV0.05)。此外，對比圖中滲層與基體組織可看出:在金相制備中使用4%的硝酸酒精對組織進行浸蝕，圖中基體部分腐蝕較覆層嚴重，基體部分出現少量腐蝕坑，覆層卻仍是致密均勻的一體，只有部分碳化物經腐蝕后呈現灰暗色。由此可知，所得覆層抗硝酸腐蝕性明顯高于基材。

3 結論

本文以Cr12冷作模具鋼為基體材料，對基材分別進行鉻釩共滲和稀土鉻釩共滲，在溫度為940℃的條件下通過TD處理4 h后得到共滲層，進行了顯微組織研究，通過實驗分析得出以下結論:

1)Cr12冷作模具鋼通過TD處理形成了具有一定厚度的均勻致密的覆層，覆層與基體間形成了一個呈冶金結合狀態的清晰平坦界面。

2)稀土元素在TD處理過程中有催滲促滲的作用。

3)在940℃×4 h條件下，鉻釩共滲所得覆層厚度為3.5 μm，硬度為1 733 HV0.05，稀土鉻釩共滲所得覆層厚度達到5.4 μm，硬度為2 120 HV0.05。

4)共滲層物相主要由VC、Cr23C6、Cr7C3等相構成。

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