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1、太原理工大学 硕士学位论文 H13钢电火花沉积表面改性研究 姓名：王耀武 申请学位级别：硕士 专业： 指导教师：唐宾 20090701 太原理工大学硕士研究生学位论文 I H13 钢电火花沉积表面改性研究 摘 要 H13 钢是目前使用最广泛和最具代表性的热作模具钢种。热作模具的 主要失效形式为热侵蚀、热冲蚀磨损及热疲劳。表面适当改性是提高模具 使用寿命的有效途径之一。 借助电火花沉积表面改性技术，可在模具表面形成与基体呈冶金结合 的表面合金改性层。该表面合金改性层的成分和硬度等性能沿纵深方向呈 梯度分布。表层高合金层与基体冶金结合，不存在界面问题。过渡层组织 结构的的梯度变化以及由此导致的硬度
2、等性能的梯度变化，将会明显改善 改性层内应力释放机制和变形协调性，缓解改性层内部裂纹的形成和扩展。 从而抑制龟裂等表面失效的发生，避免常规涂层由于界面弱化带来的热疲 劳脱层，并可提高模具表面磨损抗力。 本文在分析电火花放电沉积机理的基础上，以比沉积能量为参数，在 H13 钢基材上分别制备 Mo、Ti 改性层。探讨了比沉积能量与沉积层厚度的 定量表达关系。借助表面性能测试及物相分析，研究了表面合金层的组织 结构及相关磨损、腐蚀特性。取得以下具体研究结果: 1)采用高径比很小的片状电极代替棒状电极可以有效避免棒状电极尖 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 端引起的放电不稳定现象，可有效改善沉积层
3、表面粗糙度和均匀性。 2)改性层的厚度与比沉积能量近似成正比。 改性层的截面由表及里依次 为高 Ti 和高 Mo 合金层、电极元素扩散过渡层、热影响区及基体组织。改 性层表面主要物相分别为 -Fe、电极元素单质及其固溶体、金属间化合物 和部分 N、O 化合物。改性层成分和硬度沿纵深方向呈梯度分布，高合金 白亮层表层与基体为冶金结合，无界面突变。 3)利用球盘磨损仪对比研究基材及电火花沉积 Mo 改性层的摩擦学性 能表明， 选择Si3N4钢球为摩擦副时， Mo改性层的摩擦系数大约都在0.55-0.6 之间。 由于 Mo 元素的减摩作用， 改性层摩擦系数较 H13 钢基材略有减小。 基材磨损主要以
4、磨粒磨损及粘着转移为主， 而 Mo 改性层硬度较高， 主要磨 损形式为摩擦副之间的犁削磨损。 改性层的磨损量仅为 0.0065mm3， 约为基 材磨损量 1.5010mm3的 230 1 。 4)电化学检测结果表明,Ti 改性层在 0.6mol/L 的 NaCl 溶液自腐蚀电位 明显正移，由-478mV 上升为-340mV，耐 Cl-点蚀性能得到较大改善。在 0.5 mol/L H2SO4溶液中，改性层极化曲线明显左移，且改性层的自腐蚀电位基 本不变。改性层在 200mV 时迅速钝化，而基体在 350 mV 时才发生钝化， 致钝电流密度较基体减小一个数量级。 关键词：电火花沉积，H13 钢，M
5、o、Ti 电极，摩擦磨损，腐蚀 太原理工大学硕士研究生学位论文 III H13 STEEL SURFACE MODIFICATION BY ELECTROSPARK DEPOSITION TECHNOLOGY ABSTRACT H13 steel is one of the most widespread application and represent-ative hot work mold steel, which main failure modes are thermal corrosion, thermal erosion wear and thermal fatigue. Sui
6、table surface modification is one of the methods to enhance the service life of molds. Gradiently distributing Micro-structure have been fabricated by electronic spark deposition technique. The surface alloying layer metallurgically bonds to the substrate，which could lessen inter-face weakness，modif
7、y the distribution of inner stress and distortion coordination in alloying layer，so as to retain surface invalidation，such as chap.After surface processing , the wear resistance and thermal fatigue resistance is greatly enhanced. To explore the relationship between the control parameter and thicknes
8、s of deposited layer, the average deposition energy was proposed as a primary 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV control parameter. Mo and Ti modified layer was fabricated on the H13 steel substrate in this study, the quantitative expression between average deposition energy and modified layer thickness was investi
9、gated. The microstructure and behaviours of wear resistance and corrosion resistance were studied by surface property test and microstructure analysis. The detailed results are as follows: 1） Compared with stick-electrodes, while taking pine-electrodes with little high-diameter ratio could efficient
10、ly modify the surface roughness and uniformity of the modified layer. 2）The thickness of modified layer is proportional to average deposition energy. The deposited alloy layer is composed of “white layer”, diffusion layer and heat effect area, which with excellent interface bonding and elements grad
11、ed distribution from alloyed layer to the substrate. The phases of the modified layer is composed of -Fe，electrode simple substance phase，metallic compound, nitride and oxide composite. Elements and hardness of modified layer gradiently distributes along the depth direction. And the surface alloying
12、 layer metallurgically bonds to the substrate，with no interface chop. 3）Pine-on-disk wear experiment shows that while sliding against Si3N4 steel ball, coefficient of friction of the Mo modified layer is about 0.55-0.6, and that of H13 steel decease a little due to the friction-reducing of Mo. It wa
13、s found that the abrasion mechanism of modified layer was plough wear ，while that of H13 steel substrate was both abrasive grain wear and adhesive wear. The wear 太原理工大学硕士研究生学位论文 V volume of the Mo modified layer (0.0065 mm3) was about 230 1 of that of H13 substrate（1.5010mm3）. 4）The experiment resul
14、ts suggested that free corrosion potential of those alloys move from -478mV to -340mV in NaCl fluid. Compared with H13 substrate,The cathodic polarization curves of Mo modified layer left side moved obviously in H2SO4 fluid, while the corrosion potential was almost the same. And its corresponding pa
15、ssivation potential increased from 200 mV to 350 mV while its corresponding passivation current is decreased one order of magnitude. KEY WORDS: electrospark deposition, H13 steel, Mo electrode, Ti electrode, friction and wear, corrosion 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章第一章 综述综述 1.1 表面工程概述表面工程概述 随着工业现代化的发展，对设备零部
16、件表面性能要求越来越高,在高速、高温、高 压、重载、腐蚀介质等条件下，零部件材料的破坏往往自表面开始，如磨损、腐蚀、高 温氧化等，表面的局部破坏往往导致整个零件的失效，最终导致设备停产。现代工业的 迅速发展，要求机械工业产品能在高速度、高精度、高温、重载荷、高度自动化和恶劣 的工况条件下长期稳定运转，实质上，这是对机件表面的耐磨、耐蚀等性能提出了更苛 刻的要求。因此，采取一定的工艺方法改善材料的表面性能，从而有效地延长其使用寿 命具有重要意义。 表面工程技术是在不改变基体材料的成分、不削弱基体材料的强度(或削弱基体强 度而不影响其使用性能)的条件下，通过某些物理手段（包括机械手段）或化学手段赋 予基体材料表面特殊的机械、物理或化学性能，从而满足工程上对材料提出的要求，见 表 1-11。 表面工程技术最大优势是能够以
