W4Mo3Cr4VSiN钢丝锥表面处理及应用

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W4Mo3Cr4VSiN 钢丝锥表面处理及应用
赵立新1，郑立允1，吴炳胜1，李海梅2（河北工程学院1. 机电工程学院；2. 资源学院，河北邯郸 056038）
* A( o! X. n' R- t, c, K6 U摘要：对W4Mo3Cr4VSiN 低合金高速钢丝锥经1160℃真空加压气淬以及560℃ × 1h 回火3 次后，分别进行蒸汽
" ]; v9 L0 L& N  e+ }- K+ M- H1 L处理和离子镀TiN 表面处理，研究了其显微组织和性能，并进行了寿命试验。结果表明，蒸汽处理使丝锥表面获
得厚度为（3 ～ 4）μm 的蓝色Fe3O4
" H7 m; {3 M- v8 w薄膜，且表层的显微硬度为766HV，比心部略低（833HV），但具有良好的润滑
性和减摩性，蒸汽处理丝锥的使用寿命比未表面处理的提高了1. 15 倍。丝锥表面离子镀后，获得约2. 5μm 厚的
+ ^$ e2 y% v) X% \, O" G& X金黄色TiN 涂层，与基体结合牢固，均匀致密，离子镀TiN 丝锥的使用寿命比未表面处理的提高了1. 66 倍。
) j5 K6 d( O6 B' b关键词：低合金高速钢；蒸汽处理；离子镀
中图分类号：TG13 文献标识码：A 文章编号：0254-6051（2005）08-0057-03
Surface Treatment and Application of W4Mo3Cr4VSiN Steel Taps
' ~/ P) b! u  z" U8 f; L" ^ZHAO Li-xin1，ZHENG Li-yun1，WU Bing-sheng1，LI Hai-mei2
: \( h( H. [& b1 e（1. College of Mechanical and Electronic Engineering；
% ?# P+ Y% q& X  A4 B" F: i- R2. College of Resources，Hebei Institute of Engineering，Handan Hebei 056038，China）
1 U" |, [# o0 ^4 g. _6 [Abstract：The W4Mo3Cr4VSiN low alloy high speed steel taps were steam treated and ion plated separately after quenching
at 1160℃ and tempering at 560℃ × 1h for 3 times. Its microstructure，properties and service life were also investigated.
6 ~; [4 p# B. U+ M! D3 U8 _The results show that the blue Fe3O4 layer of 3 ～ 4μm thick on the surface of screw taps by steam treating was obtained，
and its hardness is 766HV which is lower than that of the inner（833HV）. By ion plating，an about 2. 5 μm
% i. U3 z( X6 t( b6 |thick，golden yellow TiN layer on the surface of taps was obtained. After steam treating and ion plating，the service life of
the tap is 1. 15 times and 1. 66 times longer respectively than that without surface treatment.
" ~5 a1 N4 O& f3 i; MKey words：low alloy high speed steel；steam treating；ion plating
作者简介：赵立新（1969. 11—），男，河北邯郸人，副教授，主要
9 t; I: a0 m2 S% f( p/ @$ |) f& d从事金属材料及其应用研究。联系电话：0310-7429801，
# l# Z! u4 r4 O- s) w8 g) G13522078646 Email：[email=zhaolx1120@126]zhaolx1120@126[/email]. com
$ {- S$ G2 }2 {1 h8 U$ P收稿日期：2005-02-05
9 X+ W" B2 V# A4 l$ n; r, Q% t( ?W4Mo3Cr4VSiN（F205）钢中的W、Mo、V 元素总
量为一般高速钢的3 / 5，而其性能却可以达到甚至超
过M2 钢的水平［1］。因此，W4Mo3Cr4VSiN 钢是一种
性价比很高的钢种，日益受到人们的重视，特别是在刃
% V7 Z" f9 N5 \$ r) `具方面的应用不断扩大［2，3］。为了消除丝锥表面的残
余应力，提高表面硬度或减少表面摩擦系数，提高丝锥
9 ]6 M6 p$ P  d2 g% _& u, O表面的疲劳强度以及产品的使用寿命，作者在对
W4Mo3Cr4VSiN 钢中马氏体二次硬化的研究基础上，
深入研究其基本特性和使用效果，选取了蒸汽处理和
5 k0 q2 ~& s" ^离子镀两种表面处理工艺方法对其进行表面处理，研
究其组织性能，并进行了寿命试验。
1 试验材料及方法
1. 1 试验材料
试验用钢为热轧状态下低合金高速钢
3 ?/ C0 G1 m/ c( p/ U7 P8 q' @W4Mo3Cr4VSiN，尺寸为Ф9. 8mm × 65mm，原始组织为
2 X' R" W2 C  z0 `' d6 k在细球状索氏体基体上均匀分布着碳化物颗粒，碳化
物沿轧制方向呈一定的带状分布趋势，但并不严重，
/ {0 n, V% R5 v+ _度。经恰当时间的深冷处理，抗拉强度、硬度及伸长率
! w+ _+ O# S* q: n7 J1 w5 }# K* Y能同时提高，对Al-Si 合金最佳处理时间为72h。同时，
" v8 j) `* d7 i+ y0 ^深冷处理还改善了合金的显微组织，处理后合金组织中
的颗粒状硅及其它粒状化合物明显增多且均匀分布。
' Z4 {: }* h( V1 Y3 ?（2）铝合金经深冷处理改善性能的机理主要是：
深冷处理后合金中出现大量的位错缠绕及处理过程中
2 v0 n4 [! U' G弥散析出Si 颗粒等强化相。
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$ [: B* i$ |# b9 A《金属热处理》2005 年第30 卷第8 期57
符合丝锥对原材料的要求，如图1 所示。W4Mo3Cr4VSiN
3 O2 W$ E- Q3 e- x钢的硬度为（207 ～ 229）HB，其化学成分要求标准
3 I( {: n% G, [! e值（ 质量分数，%，下同）为0. 88 ～ 0. 96C、3. 80 ～
4. 4Cr、3. 4 ～ 4. 2W、2. 4 ～ 3. 0Mo、1. 3 ～ 1. 6V、0. 70 ～
1. 0Si。实测值为0. 897C、3. 99 Cr、3. 60 W、2. 77 Mo、
5 k  A& |3 a% M, _9 F4 S) k1. 52 V、0. 721 Si。
4 ^; G6 w% J( @图1 原始材料金相组织 × 400
0 ?* t4 D* {# G" I+ w（a） 横向组织 （b）纵向组织
5 |  @* X, U/ g0 {* H8 ~5 D) U9 u; EFig. 1 Optical microstructure of original material × 400
6 Q5 m4 i& L% \/ ?' \1. 2 试验设备及方法
- ~' H2 y; G. j2 e0 x采用VKVQgr40 / 40 / 60 型高压气淬炉进行淬火试
2 Q* M( v" k$ Z4 U" |验，额定功率80kW，炉温均匀性± 5℃，冷却气体纯N2
（99. 95%）；在SX-4-10M 型热处理炉中进行回火；在
! b: N9 A0 l* MHT / 4A 型蒸汽处理炉中进行蒸汽处理，其工艺流程为
金属清洗液清洗（60℃ ～ 70℃）%冷水清洗%50% 工
+ b( G9 F, q3 `" ]7 z& f: m/ {业盐酸清洗%冷水清洗%蒸馏水清洗%蒸汽处理炉内
# l/ f7 u, h* d蒸汽处理（560℃ × 2h，0. 6MPa）%出炉冷却%检验；在
. f9 y2 b: z$ S) ?% Y2 [; UTJ / 8K 型离子镀专用设备上进行离子镀，其工艺流程
7 T$ t$ P7 P; E2 _+ O/ S为镀前清洗处理%真空室抽真空至10 - 2 ～ 10 - 3 Pa%
, r  d! ?2 `  l) I# t: b$ [离子轰击净化%离子轰击加热%离子沉积（约450℃，
30min）%冷却。离子镀选用99. 9%（质量分数，下同）
# g9 s; J, I$ E( ~: j( h的纯钛靶，反应气体为99. 9% 的氮气，引弧及轰击气
体采用99. 9%的氩气。
本试验产品为M8 机用丝锥，其结构尺寸如图2
( x6 h9 O  w- q! m/ [! @, @所示。先采用1160℃真空加压气淬并560℃ × 1h 回
火3 次，真空加压气淬处理一批丝锥，任意抽取6 支进
1 n6 h' _7 j2 a; @" M7 X; Q行寿命试验；再对真空加压气淬回火的丝锥分别进行
  o, m" d$ p9 B! t; S$ ~蒸汽处理和离子镀处理，各任意抽取6 支进行寿命试
验。寿命试验条件为在S4012A 型台式攻丝机上加工
% e9 K' ~  ^: T) `+ |: u7 B' r汽车联轴器花键万向叉，其材料为08Al 钢，转速为
207 转/ min，切削深度为10mm，用油冷却并润滑。
表面处理后的试样在OLYMPUS 显微镜上进行显
微组织观察分析，用HXS-1000AK 显微硬度计进行硬
. T7 l% l- ^2 u: X9 Z度测试。
图2 M8 丝锥的结构及尺寸
$ X+ V; V+ _8 h3 G5 PFig. 2 Structure and dimensions of the M8 tap
4 k$ v3 j" f5 D$ F2 }2 试验结果与分析
2. 1 蒸汽处理
) Z& a  \/ y7 U: t在一定温度条件下，水蒸汽与铁接触，分解出初生
态氧原子，氧原子与铁反应生成氧化物。铁质材料在
4 M; J1 X: r! X6 m: i) z1 [  i水蒸汽中加热至400℃ ～ 700℃时，发生如图3 所示的
7 `# M# @/ {# H7 n. R3 a8 o化学反应，生成氧化物。当处理温度高于570℃时，从
$ w- X$ N2 O) j图3 中可明显看到FeO 和Fe3O4
9 n4 b% E5 u% w& @6 f. g+ T) A2 v共同生成区。在
570℃以上形成的FeO，当温度降低到570℃以下时，将
1 s$ p% j% @( [* Y! s& ]3 j发生共析分解（Fe3O4
- r( b" J0 Z0 X5 _1 ~! E+ X' S和Fe），此铁易被腐蚀，生成赤
褐色铁锈Fe2O3
( T- ~5 H* d0 w。所以处理温度一般不得超过570℃。
# O( N* I  p7 k* i; p( O而在300℃ 以下，氧化反应速度很慢。加热温度在
0 w7 U7 x  x# F6 {9 l$ H  }% A560℃时生成的氧化膜厚度较适中，而且氧化质量增加
7 b* f5 d" m- F+ p( z率最高，因此，选择560℃作为处理温度。
) k* }: h. e0 |4 K& J# a图3 不同温度下Fe 与H2O 反应的状态图
Fig. 3 Equilibrium diagram of reaction between Fe and
H2O at different temperatures
& h' D, c3 X$ c+ o9 c/ Y( o确定保温时间的原则是应在零件充分加热的情况
# Q. c4 [/ o' S& p& p下，有足够的时间让零件表面进行氧化。不同蒸汽处
1 D8 o6 i4 k9 x5 }$ [: E理时间对丝锥表面硬度的影响如表1 所示。由表1 可
知，在相同的处理温度下，随蒸汽处理时间的延长，表
层硬度提高，但超过2h 后硬度的增加随时间变化的比
- e. ~/ G# ?' K2 Y0 Y; E较缓慢，因此，本试验保温时间选取2h。提高水蒸汽
* c5 @! @8 p" p: E! s的压力，有利于氧化反应的进行。本试验蒸汽发生炉
压力控制在0. 6MPa 比较适宜，压力再高，促进作用已
不明显。
# X2 a; S9 X; I, {8 u% I- ]. N58 《金属热处理》2005 年第30 卷第8 期
: h. C+ i( X# m) d! \3 L5 H表1 经不同时间蒸汽处理后丝锥的硬度
1 r# N" S$ w! u2 M: G% xTable 1 Hardness of the taps after steam
treating with different time
$ f6 g& G3 K# N7 T& q蒸汽处理时间/ h 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3
4 i' j/ L9 ~2 k. Q. |  E丝锥处理后的硬度（HV） 574 683 741 766 778 784
' ?. y: L! j& T  X- ?$ }将淬火、回火后的丝锥装炉，升温到300℃，保温，
使零件充分预热，心部达100℃以上，大流量通入水蒸
" U( F( |9 I) v' m汽，吹洗容器赶走空气，升温到560℃，蒸汽压力
: @% m. ?' V& w7 j0. 6MPa，保温2h，断电降温，400℃以下断气出炉。按
# p* k! j4 k% H此工艺处理的零件表面为蓝色Fe3O4
4 n) g0 C8 U1 z薄膜，颜色均匀，
( v- r# H# F2 n  b7 B& N无明显花斑及锈迹，膜的厚度为3 ～ 4μm，具有丰富的
微孔，吸油防锈，在刃具的切削过程中起到润滑作用，
其金相组织如图4a 所示。如出炉后立即将零件浸油，
# H7 S- s/ e: P3 Y; h0 y则呈深蓝色，为最佳状态。
蒸汽处理后，丝锥表层的显微硬度约766HV，比
心部略低（833HV），但多孔性的Fe3O4
膜能贮存一些
润滑剂，减少了丝锥的磨损；致密的Fe3O4
5 v, k" q7 d  K$ {; n0 u7 \7 F的存在还能
阻止热工件与丝锥基体直接接触，使丝锥表面不易产
( k' z7 Z- i' V; O- g$ ~生氧化腐蚀沟槽，从而减少诱发热疲劳裂纹的因素，可
提高丝锥的使用寿命。
2. 2 离子镀处理
" n0 [/ u/ [5 J离子镀后丝锥表面获得约2. 5μm 的金黄色TiN
& Z8 f5 X: [4 _% O" |' }2 c涂层，其金相组织如图4b 所示，表层即为TiN 涂层，与
" }+ D) Z) p- L图4 试样经蒸汽处理（a）和离子镀（b）
. w8 n  k8 h1 G" }! q3 R- {后的表层金相组织 × 400
Fig. 4 Surface optical microstructure of the samples
after steam treating（a）and ion plating（b） × 400
& _9 d4 {' g- Y) r" Z( [- k基体结合牢固，均匀致密，显微硬度高达1021HV。
0 W4 ]9 J$ E) B+ fTiN 涂层丝锥的摩擦系数小，且具有自润滑性，可降低
" r/ c9 c6 n/ G, Y0 B$ N' I  n摩擦阻力，TiN 涂层的化学稳定性比未涂层的高得多，
4 _: c$ Q4 n4 R  E' d$ r. j" y+ R& b摩擦过程中涂层不易分解，减弱了扩散磨损，提高了抗
氧化磨损，大大提高了丝锥表面抗粘着性。
W4Mo3Cr4VSiN 钢丝锥离子镀TiN 后，其抗热疲劳性、
抗氧化性显著提高，故经TiN 涂层处理提高了丝锥的
8 i0 m4 r3 X9 ^! O" R3 l* |' Z整体寿命。
, U+ G3 y- q3 T) H! ]2. 3 寿命试验
现场寿命考核结果如表2 所示。从表2 中可以看
出，W4Mo3Cr4VSiN 钢淬火回火后经蒸汽热处理后平
均寿命为1335 件/ 根，离子镀处理后平均寿命为1653
: _2 c9 r. Z* j  x! E件/ 根，比未表面处理的丝锥平均寿命（621 件/ 根）分
别提高了1. 15 倍和1. 66 倍。尽管离子镀处理后丝锥
$ x6 v" Q) F; o9 ?0 ?的寿命高于蒸汽处理后的丝锥，但是蒸汽处理工艺简
单，加工成本低，因此技术经济效益好，所以从价格性
能角度看，W4Mo3Cr4VSiN 钢丝锥选择蒸汽处理为宜。
表2 丝锥寿命考核结果（单位：件/ 根）
Table 2 The examined results of the service life of screw tap
: @7 [  H& G; Z. p& A" U$ ^丝锥
编号
  q9 ~4 _- z: d' H+ Z1 z1160℃淬火+ 560℃
× 1h
回火3 次
1160℃淬火+ 560℃
× 1h 回火3 次
( e. h3 P0 b$ ]# [0 P+ b+ 蒸汽处理
1160℃淬火+ 560℃
× 1h 回火3 次
+ 离子镀处理
+ j9 Y; B0 s  L9 M. ?% M1 479（折断） 1270（扣紧） 1325（折断）
& W* {7 i" l; Q: C% V2 537（折断） 1108（折断） 1968（磨损）
3 410（折断） 1023（折断） 1370（折断）
  i8 r6 L  C! ]# [4 826（磨损） 1751（磨损） 1426（扣紧）
5 673（啃扣） 1350（掉齿） 1897（磨损）
  G; D/ y8 B' M8 f" U8 S0 X6 804（磨损） 1505（磨损） 1933（磨损）
& p  r. D1 N/ ^( ]- J. ]% ]& u  N  v平均寿命621 1335 1653
3 结论
（1）蒸汽处理的W4Mo3Cr4VSiN 钢丝锥表面为美
观的蓝色，颜色均匀，无明显花斑及锈迹，表层Fe3O4
与
: I! I" w% j( Y6 A1 v% l丝锥基体结合致密、均匀；离子镀后W4Mo3Cr4VSiN
钢表面获得2. 5μm 的金黄色TiN 涂层，TiN 与基体结
合牢固，均匀致密，显微硬度高达1021HV。
（2）W4Mo3Cr4VSiN 钢制丝锥淬火回火后经蒸
8 h, L, Y( h1 ~$ p; r% N: E汽热处理和离子镀处理后平均寿命比未处理的丝锥分
别提高了1. 15 倍和1. 66 倍，从价格性能角度看，
W4Mo3Cr4VSiN 钢丝锥选择蒸汽处理为宜。
" W/ @% i: u) f& v2 Y; q参考文献：
8 ~1 K- R* y/ K, h: L4 {. m［1］ 郑立允，赵立新，吴炳胜，等. W4Mo3Cr4VSiN 低合金高速
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2007-12-22 08:29 上传

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