W4Mo3Cr4VSiN钢丝锥表面处理及应用

hbh0606

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）
+ c# E2 A$ t+ `. A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
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
5 y$ X$ ?$ l5 U+ Z得厚度为（3 ～ 4）μm 的蓝色Fe3O4
9 k4 @5 @: j$ |+ l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
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。
关键词：低合金高速钢；蒸汽处理；离子镀
( e' Z! Q2 q8 E+ R) W* l中图分类号：TG13 文献标识码：A 文章编号：0254-6051（2005）08-0057-03
/ D  D; D" W2 [! j7 U( C2 u2 qSurface Treatment and Application of W4Mo3Cr4VSiN Steel Taps
5 H+ H" n- v) p0 M+ r# z3 z/ NZHAO Li-xin1，ZHENG Li-yun1，WU Bing-sheng1，LI Hai-mei2
（1. College of Mechanical and Electronic Engineering；
) h1 d+ ?" B/ ~2. College of Resources，Hebei Institute of Engineering，Handan Hebei 056038，China）
0 t, a  ~- S( R# g$ wAbstract：The W4Mo3Cr4VSiN low alloy high speed steel taps were steam treated and ion plated separately after quenching
7 X) Q" J; y: u2 A' H3 Eat 1160℃ and tempering at 560℃ × 1h for 3 times. Its microstructure，properties and service life were also investigated.
2 S) t! o1 o+ ^# L* J- SThe results show that the blue Fe3O4 layer of 3 ～ 4μm thick on the surface of screw taps by steam treating was obtained，
+ _, `& t* Y2 k8 Gand its hardness is 766HV which is lower than that of the inner（833HV）. By ion plating，an about 2. 5 μm
thick，golden yellow TiN layer on the surface of taps was obtained. After steam treating and ion plating，the service life of
8 q' T% R5 z2 c0 athe tap is 1. 15 times and 1. 66 times longer respectively than that without surface treatment.
5 R* F5 R" W& \2 d# I  rKey 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
从事金属材料及其应用研究。联系电话：0310-7429801，
4 p9 W6 _. {. o; j2 O! x' o13522078646 Email：[email=zhaolx1120@126]zhaolx1120@126[/email]. com
5 m: q  {5 [. ], E$ m5 |收稿日期：2005-02-05
W4Mo3Cr4VSiN（F205）钢中的W、Mo、V 元素总
+ ^8 k0 t# m! Z$ F* l量为一般高速钢的3 / 5，而其性能却可以达到甚至超
' `4 n; w9 \6 Q8 p过M2 钢的水平［1］。因此，W4Mo3Cr4VSiN 钢是一种
7 Q5 z& M  e) A) R性价比很高的钢种，日益受到人们的重视，特别是在刃
4 \2 g6 ~7 C0 ]: N$ O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
. n# E, l6 T/ m- u. S% E表面的疲劳强度以及产品的使用寿命，作者在对
2 M( {, W* v( nW4Mo3Cr4VSiN 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
离子镀两种表面处理工艺方法对其进行表面处理，研
6 c8 l( o) Q$ q( m1 |, A! f' U究其组织性能，并进行了寿命试验。
4 [' \) o" `" G% N1 试验材料及方法
: z. F  l, N* d1 t1. 1 试验材料
试验用钢为热轧状态下低合金高速钢
* r: r1 {' P8 T7 `4 }8 U; tW4Mo3Cr4VSiN，尺寸为Ф9. 8mm × 65mm，原始组织为
6 d" q1 p# I" i' |4 E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，
度。经恰当时间的深冷处理，抗拉强度、硬度及伸长率
* \& Z. a+ j, l1 }能同时提高，对Al-Si 合金最佳处理时间为72h。同时，
深冷处理还改善了合金的显微组织，处理后合金组织中
% L( b  _( d! P的颗粒状硅及其它粒状化合物明显增多且均匀分布。
- e$ D7 p4 u/ S% \% z5 Q; e（2）铝合金经深冷处理改善性能的机理主要是：
% ]4 a' _/ W1 I' a/ ?深冷处理后合金中出现大量的位错缠绕及处理过程中
弥散析出Si 颗粒等强化相。
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《金属热处理》2005 年第30 卷第8 期57
  F& J6 C1 j* N3 z) p- P符合丝锥对原材料的要求，如图1 所示。W4Mo3Cr4VSiN
; o% m( Z/ U  I- ]* R钢的硬度为（207 ～ 229）HB，其化学成分要求标准
) _' M( H( ~: C2 P: P6 y5 Y0 F值（ 质量分数，%，下同）为0. 88 ～ 0. 96C、3. 80 ～
0 n! V% I) I# F  f% K4. 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、
1. 52 V、0. 721 Si。
+ M. |4 y5 \8 m  x2 {- [; i图1 原始材料金相组织 × 400
（a） 横向组织 （b）纵向组织
/ ?# H3 K- v" v7 T) E/ \1 n# aFig. 1 Optical microstructure of original material × 400
! t5 |+ {- ^) y, D' i' Y/ q1. 2 试验设备及方法
! M& A" G7 m5 x  `0 p' g3 v采用VKVQgr40 / 40 / 60 型高压气淬炉进行淬火试
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
$ c9 }  x% `) e  ?+ THT / 4A 型蒸汽处理炉中进行蒸汽处理，其工艺流程为
5 m* D( g+ c6 J- j# A! N金属清洗液清洗（60℃ ～ 70℃）%冷水清洗%50% 工
5 s. u- K3 l) w' A+ C业盐酸清洗%冷水清洗%蒸馏水清洗%蒸汽处理炉内
9 S: l& i& c9 w# |蒸汽处理（560℃ × 2h，0. 6MPa）%出炉冷却%检验；在
TJ / 8K 型离子镀专用设备上进行离子镀，其工艺流程
为镀前清洗处理%真空室抽真空至10 - 2 ～ 10 - 3 Pa%
+ A7 _0 \! K  {离子轰击净化%离子轰击加热%离子沉积（约450℃，
8 h1 ~1 z4 X" l30min）%冷却。离子镀选用99. 9%（质量分数，下同）
的纯钛靶，反应气体为99. 9% 的氮气，引弧及轰击气
8 _$ h/ D( l7 C: l0 @' \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
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
9 E4 p3 A: ^4 O! J行寿命试验；再对真空加压气淬回火的丝锥分别进行
蒸汽处理和离子镀处理，各任意抽取6 支进行寿命试
0 ^0 ?+ A. m: d$ t" v5 ]验。寿命试验条件为在S4012A 型台式攻丝机上加工
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
度测试。
! J) `3 X% m; w8 l; ]图2 M8 丝锥的结构及尺寸
0 j& N5 W: m2 X; fFig. 2 Structure and dimensions of the M8 tap
2 试验结果与分析
4 _1 b4 k7 M8 A% w2 k2 y2. 1 蒸汽处理
' X  b% Y, a7 _' B% T! ^& O( B在一定温度条件下，水蒸汽与铁接触，分解出初生
3 u# `7 R  }! q0 H. k态氧原子，氧原子与铁反应生成氧化物。铁质材料在
水蒸汽中加热至400℃ ～ 700℃时，发生如图3 所示的
化学反应，生成氧化物。当处理温度高于570℃时，从
' y9 q+ w1 y& ]$ o图3 中可明显看到FeO 和Fe3O4
共同生成区。在
5 l+ X+ n+ e, }570℃以上形成的FeO，当温度降低到570℃以下时，将
发生共析分解（Fe3O4
和Fe），此铁易被腐蚀，生成赤
4 i- G. |% |0 n' R/ u0 c褐色铁锈Fe2O3
。所以处理温度一般不得超过570℃。
$ K7 y( P3 m/ O6 w2 j! i而在300℃ 以下，氧化反应速度很慢。加热温度在
560℃时生成的氧化膜厚度较适中，而且氧化质量增加
+ v7 e# K: u% w/ ?2 S5 g9 h" E( ^率最高，因此，选择560℃作为处理温度。
图3 不同温度下Fe 与H2O 反应的状态图
& O( P4 {6 b1 e, X+ |Fig. 3 Equilibrium diagram of reaction between Fe and
0 P- _; O" l) D: D. wH2O at different temperatures
确定保温时间的原则是应在零件充分加热的情况
- |% v* y' @7 R: d" X下，有足够的时间让零件表面进行氧化。不同蒸汽处
理时间对丝锥表面硬度的影响如表1 所示。由表1 可
9 W8 d. V7 t7 ?% k) C+ r' d9 l$ Q知，在相同的处理温度下，随蒸汽处理时间的延长，表
" ~+ U+ V! _2 O; J' e$ w层硬度提高，但超过2h 后硬度的增加随时间变化的比
较缓慢，因此，本试验保温时间选取2h。提高水蒸汽
0 l6 {) q9 W6 m+ |% v的压力，有利于氧化反应的进行。本试验蒸汽发生炉
" W5 k; ?) \1 i2 z2 z4 [! r压力控制在0. 6MPa 比较适宜，压力再高，促进作用已
不明显。
58 《金属热处理》2005 年第30 卷第8 期
表1 经不同时间蒸汽处理后丝锥的硬度
Table 1 Hardness of the taps after steam
' r- }# S0 }, z0 [treating with different time
" A$ G8 W. w# k% D  e/ x蒸汽处理时间/ h 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3
& |+ N: z' h8 l) Z丝锥处理后的硬度（HV） 574 683 741 766 778 784
将淬火、回火后的丝锥装炉，升温到300℃，保温，
; k4 Z% T# T$ {: ?1 S* V# j使零件充分预热，心部达100℃以上，大流量通入水蒸
汽，吹洗容器赶走空气，升温到560℃，蒸汽压力
! U  K" K' V! v  l9 n0. 6MPa，保温2h，断电降温，400℃以下断气出炉。按
3 U2 m# U  D7 S+ q* u此工艺处理的零件表面为蓝色Fe3O4
薄膜，颜色均匀，
5 _+ A! O! i. T2 e; t' [* F) o无明显花斑及锈迹，膜的厚度为3 ～ 4μm，具有丰富的
* J! ]( X. Y# J# c7 G1 b* m1 Q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，
1 H% O* b+ S; d* W9 V; q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
, e1 H) ?: L- t5 B" U1 [7 A$ P膜能贮存一些
9 c$ a8 s8 P# ]4 T润滑剂，减少了丝锥的磨损；致密的Fe3O4
的存在还能
5 `/ s. R) A6 R6 u- ]阻止热工件与丝锥基体直接接触，使丝锥表面不易产
; ]' I4 N" m: [% h7 X生氧化腐蚀沟槽，从而减少诱发热疲劳裂纹的因素，可
& W, T; L- o7 G! M8 R提高丝锥的使用寿命。
2. 2 离子镀处理
离子镀后丝锥表面获得约2. 5μm 的金黄色TiN
涂层，其金相组织如图4b 所示，表层即为TiN 涂层，与
2 D$ q. B5 _9 G& k图4 试样经蒸汽处理（a）和离子镀（b）
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
- N% q; u4 R: `4 L, U基体结合牢固，均匀致密，显微硬度高达1021HV。
TiN 涂层丝锥的摩擦系数小，且具有自润滑性，可降低
' o4 t5 Q$ C* ?4 h& k3 Q3 [+ G2 X摩擦阻力，TiN 涂层的化学稳定性比未涂层的高得多，
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
" f" v8 |- \+ x. [& [& m) p整体寿命。
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
/ L0 m7 l7 W- L% \1 R出，W4Mo3Cr4VSiN 钢淬火回火后经蒸汽热处理后平
0 l; J6 I- x6 F: {& `# l均寿命为1335 件/ 根，离子镀处理后平均寿命为1653
# x5 \2 R* i) h: q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
的寿命高于蒸汽处理后的丝锥，但是蒸汽处理工艺简
; \, V$ }# i* V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
丝锥
编号
1160℃淬火+ 560℃
× 1h
5 h% |" h; K, p. U' V/ s% _1 q回火3 次
2 ]! u  @9 p6 z" M! H5 e1160℃淬火+ 560℃
- b. ^2 h. M) e2 K: g6 ]× 1h 回火3 次
( b9 z8 k# j' L, e+ 蒸汽处理
* N$ E5 t/ h) |3 {5 S8 i1160℃淬火+ 560℃
× 1h 回火3 次
8 B* ~* _( i% V/ f: B" y4 [8 |+ 离子镀处理
1 479（折断） 1270（扣紧） 1325（折断）
2 537（折断） 1108（折断） 1968（磨损）
3 410（折断） 1023（折断） 1370（折断）
4 826（磨损） 1751（磨损） 1426（扣紧）
5 673（啃扣） 1350（掉齿） 1897（磨损）
  K( ?5 R8 P( v' ?& V7 V- u6 804（磨损） 1505（磨损） 1933（磨损）
平均寿命621 1335 1653
9 Z7 }  W( s  {3 结论
（1）蒸汽处理的W4Mo3Cr4VSiN 钢丝锥表面为美
7 c3 J; y% S0 o' m& e观的蓝色，颜色均匀，无明显花斑及锈迹，表层Fe3O4
与
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
6 N$ o. N% a5 g+ 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，
  X: p" S5 H7 V8 z( y1 s" l* K# lW4Mo3Cr4VSiN 钢丝锥选择蒸汽处理为宜。
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