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W4Mo3Cr4VSiN 钢丝锥表面处理及应用
/ i* s/ x2 z0 V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）; V# v9 K) a. _: d9 m; b: _) W
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
( L5 R6 `0 \: ~) x5 h8 S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3 {3 n4 y8 V; d* ^; ~. ~; n
得厚度为（3 ～ 4）μm 的蓝色Fe3O4
, K8 W& Z4 _! P- z' q2 ?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
6 L' T* Z4 G; r: `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) }: A; y% H, g- w4 F
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。
: q& @8 W1 n. A1 W" J$ Y关键词：低合金高速钢；蒸汽处理；离子镀
' S- v! F; F' Z8 ?6 h中图分类号：TG13 文献标识码：A 文章编号：0254-6051（2005）08-0057-03
) c3 {! P8 N1 Z- {" tSurface Treatment and Application of W4Mo3Cr4VSiN Steel Taps6 M% V9 B1 T8 E
ZHAO Li-xin1，ZHENG Li-yun1，WU Bing-sheng1，LI Hai-mei21 u0 L# h8 J) o4 \( D( n
（1. College of Mechanical and Electronic Engineering；) j6 h* g, C2 U" e: b: h \* V* P
2. College of Resources，Hebei Institute of Engineering，Handan Hebei 056038，China）2 `3 o1 |7 x6 B0 s# z6 b
Abstract：The W4Mo3Cr4VSiN low alloy high speed steel taps were steam treated and ion plated separately after quenching' g& M! H0 {4 u
at 1160℃ and tempering at 560℃ × 1h for 3 times. Its microstructure，properties and service life were also investigated.
- v6 \+ B) P6 }" u0 u% ?0 qThe results show that the blue Fe3O4 layer of 3 ～ 4μm thick on the surface of screw taps by steam treating was obtained，7 m) S" T" W1 k* o, L
and its hardness is 766HV which is lower than that of the inner（833HV）. By ion plating，an about 2. 5 μm
6 D. Y, G1 v! B7 W' Wthick，golden yellow TiN layer on the surface of taps was obtained. After steam treating and ion plating，the service life of4 r1 D r: z# @4 H& X4 E
the tap is 1. 15 times and 1. 66 times longer respectively than that without surface treatment.) P3 H& y* h0 o5 U# d: J) @
Key words：low alloy high speed steel；steam treating；ion plating6 u0 Z+ d; ^ M+ M0 M$ k8 U
作者简介：赵立新（1969. 11—），男，河北邯郸人，副教授，主要# Z; }- H" R: J. R* Z& v3 R
从事金属材料及其应用研究。联系电话：0310-7429801，0 g9 s2 G5 g/ ? w
13522078646 Email：[email=zhaolx1120@126]zhaolx1120@126[/email]. com# P- j2 s+ l- c
收稿日期：2005-02-05
- _( X3 b6 _7 k! C [$ }2 L9 J: J+ WW4Mo3Cr4VSiN（F205）钢中的W、Mo、V 元素总
! S! J( V2 s, z& x/ f量为一般高速钢的3 / 5，而其性能却可以达到甚至超& O0 Y" M/ S0 z
过M2 钢的水平［1］。因此，W4Mo3Cr4VSiN 钢是一种) O4 c; N( @ U0 G: @ q
性价比很高的钢种，日益受到人们的重视，特别是在刃4 X4 X$ Q6 Q: f2 w
具方面的应用不断扩大［2，3］。为了消除丝锥表面的残
) W# Q0 U1 ^- {$ }余应力，提高表面硬度或减少表面摩擦系数，提高丝锥
- l$ u2 n( e" L# h5 l* m" B7 R& y表面的疲劳强度以及产品的使用寿命，作者在对
3 X$ X( u0 {' U+ D1 O$ @W4Mo3Cr4VSiN 钢中马氏体二次硬化的研究基础上，7 N2 P) Z$ ?; H
深入研究其基本特性和使用效果，选取了蒸汽处理和
2 y9 b# j$ e8 q2 c* E5 j& p6 u离子镀两种表面处理工艺方法对其进行表面处理，研
) k- r/ y1 T; v* b! @/ w* p" w8 [9 _究其组织性能，并进行了寿命试验。
. e% U9 U( \/ y9 S5 t1 X: S/ I1 v1 试验材料及方法& G3 W; }0 K# b! z) f
1. 1 试验材料
( a0 O+ `( S% T' F4 z7 H试验用钢为热轧状态下低合金高速钢8 {0 l& b& [, {
W4Mo3Cr4VSiN，尺寸为Ф9. 8mm × 65mm，原始组织为2 N5 s) ~4 A. l5 q$ h4 ]
在细球状索氏体基体上均匀分布着碳化物颗粒，碳化
6 ^ j {$ S4 I物沿轧制方向呈一定的带状分布趋势，但并不严重，. X- q+ Y! {9 c* c8 [/ W7 ~, C; H
度。经恰当时间的深冷处理，抗拉强度、硬度及伸长率
5 Z! g' R( A# ^+ \3 |8 z' q能同时提高，对Al-Si 合金最佳处理时间为72h。同时，
, _: l( w6 U+ I深冷处理还改善了合金的显微组织，处理后合金组织中
7 _1 X. w4 u$ a& D Q的颗粒状硅及其它粒状化合物明显增多且均匀分布。
: g1 q) d. p" i4 x! N5 a% j（2）铝合金经深冷处理改善性能的机理主要是：' P% z; Y2 t$ K& l+ |
深冷处理后合金中出现大量的位错缠绕及处理过程中3 t- G2 d7 J8 W1 `# ~) j* u! ` B
弥散析出Si 颗粒等强化相。/ m' o' e! B" r! H+ C5 M2 |2 A
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《金属热处理》2005 年第30 卷第8 期571 h+ h0 G+ M$ V9 R$ \( V
符合丝锥对原材料的要求，如图1 所示。W4Mo3Cr4VSiN
! N; B( u y" Q5 S. U M钢的硬度为（207 ～ 229）HB，其化学成分要求标准
! [; ?4 d9 ^" i2 o" v0 Q值（ 质量分数，%，下同）为0. 88 ～ 0. 96C、3. 80 ～
9 m/ l5 x! W' J" P+ P- u% y* P4. 4Cr、3. 4 ～ 4. 2W、2. 4 ～ 3. 0Mo、1. 3 ～ 1. 6V、0. 70 ～
! k' `7 |7 { b$ g1. 0Si。实测值为0. 897C、3. 99 Cr、3. 60 W、2. 77 Mo、
4 d% S4 `9 W' b7 S3 ]6 r1. 52 V、0. 721 Si。, ?6 s7 P2 B( {' Q0 ]
图1 原始材料金相组织 × 400, ~6 P$ w% S( V$ R
（a） 横向组织 （b）纵向组织, n3 y- H7 q+ }* I. G, a; g) G, O
Fig. 1 Optical microstructure of original material × 400+ T" U9 e7 s' f3 ^3 h9 g" K; i+ ^
1. 2 试验设备及方法
/ f# `! G5 E: `: V1 i5 _采用VKVQgr40 / 40 / 60 型高压气淬炉进行淬火试3 e( c$ c8 W, y( Y
验，额定功率80kW，炉温均匀性± 5℃，冷却气体纯N2
; \# b! W- p( E5 p9 W$ h（99. 95%）；在SX-4-10M 型热处理炉中进行回火；在* X5 H# G/ Q( k9 e9 _9 G D
HT / 4A 型蒸汽处理炉中进行蒸汽处理，其工艺流程为
9 l: t; t/ I( K2 o' V金属清洗液清洗（60℃ ～ 70℃）%冷水清洗%50% 工+ }% O8 N+ j1 A; r" c: f2 G
业盐酸清洗%冷水清洗%蒸馏水清洗%蒸汽处理炉内' P- \ \! A$ L. f) h2 q
蒸汽处理（560℃ × 2h，0. 6MPa）%出炉冷却%检验；在
- _+ f3 m1 I# o- ]% ~3 Z: J0 ^TJ / 8K 型离子镀专用设备上进行离子镀，其工艺流程9 m2 T; x$ Q( V+ r N+ S+ s
为镀前清洗处理%真空室抽真空至10 - 2 ～ 10 - 3 Pa%
1 @; N4 q. t+ _" P. K$ u; L离子轰击净化%离子轰击加热%离子沉积（约450℃，& S1 x, b: d7 d H0 @; L/ e2 R
30min）%冷却。离子镀选用99. 9%（质量分数，下同）
' I0 U9 \8 x }+ _- t: U* g的纯钛靶，反应气体为99. 9% 的氮气，引弧及轰击气. X. Q2 o+ Q! ]" Z
体采用99. 9%的氩气。
7 Q P# D N! a8 p \/ \本试验产品为M8 机用丝锥，其结构尺寸如图2
# c3 u' N8 x3 I" r0 O所示。先采用1160℃真空加压气淬并560℃ × 1h 回7 `: X% O& M7 Q9 }( M% |4 q/ ~; |
火3 次，真空加压气淬处理一批丝锥，任意抽取6 支进. G4 H( i, z1 k2 P1 T8 `
行寿命试验；再对真空加压气淬回火的丝锥分别进行
7 M/ Q" N9 z% y! d( V蒸汽处理和离子镀处理，各任意抽取6 支进行寿命试
- U' F) b" `6 j验。寿命试验条件为在S4012A 型台式攻丝机上加工
; Y7 A6 ~: F2 i( Q; n0 g3 \汽车联轴器花键万向叉，其材料为08Al 钢，转速为# Z/ @& R$ \% s, Z5 g$ s
207 转/ min，切削深度为10mm，用油冷却并润滑。
& T' {$ A( E5 ?: W5 T$ u表面处理后的试样在OLYMPUS 显微镜上进行显" ?" c- n( j! |: V- @: U
微组织观察分析，用HXS-1000AK 显微硬度计进行硬
! e; F r# |) q: D7 `" a i Q度测试。
; ]% u, ]( i# _, a) q图2 M8 丝锥的结构及尺寸. y3 H6 I; ~& Z6 a
Fig. 2 Structure and dimensions of the M8 tap
1 ^. ]/ U7 n# h* }. n6 U2 试验结果与分析
2 o' w& j0 ^0 A% x( v5 ] ^# U* W2. 1 蒸汽处理
) f# f7 m. V6 w5 d: y% C! M在一定温度条件下，水蒸汽与铁接触，分解出初生
9 _4 n( S. i! m4 T- C态氧原子，氧原子与铁反应生成氧化物。铁质材料在# T) G9 f; L( T' G1 _: r5 j- L
水蒸汽中加热至400℃ ～ 700℃时，发生如图3 所示的
9 s; \( V8 |% j! G' V, G- |化学反应，生成氧化物。当处理温度高于570℃时，从
5 k4 b1 S+ S) G9 D! Z图3 中可明显看到FeO 和Fe3O49 O" E% j6 A/ v" B$ O
共同生成区。在" E0 k/ |; r% }
570℃以上形成的FeO，当温度降低到570℃以下时，将
2 H# g1 q5 E1 ?) V0 i' M/ M. w发生共析分解（Fe3O49 t+ ^- J0 I3 i" _, \
和Fe），此铁易被腐蚀，生成赤. q+ {& |+ i u
褐色铁锈Fe2O3
! ?& o: i! T7 x W) r。所以处理温度一般不得超过570℃。% _, q8 {% E: }! W: V, E) A
而在300℃ 以下，氧化反应速度很慢。加热温度在" m! l4 H: H8 N
560℃时生成的氧化膜厚度较适中，而且氧化质量增加
/ p% z) F$ N+ h' I, J D. @率最高，因此，选择560℃作为处理温度。
% d7 R* J2 }* h3 G, d6 Y图3 不同温度下Fe 与H2O 反应的状态图
2 Y4 R# {, p0 [! M7 `8 oFig. 3 Equilibrium diagram of reaction between Fe and& v! V( F" X$ w8 |
H2O at different temperatures
$ O4 a! t% U4 r# h4 ?" z$ Y确定保温时间的原则是应在零件充分加热的情况8 O! A! |; Q( o# P) U
下，有足够的时间让零件表面进行氧化。不同蒸汽处9 f$ [, F* i& S" J9 F
理时间对丝锥表面硬度的影响如表1 所示。由表1 可
* P5 T. L1 j* t9 f7 R, \9 R% h知，在相同的处理温度下，随蒸汽处理时间的延长，表8 I- K) l1 P: E6 b3 T
层硬度提高，但超过2h 后硬度的增加随时间变化的比
* R2 \6 z9 ]- ]; k较缓慢，因此，本试验保温时间选取2h。提高水蒸汽6 \5 e4 v8 A! r! e5 _
的压力，有利于氧化反应的进行。本试验蒸汽发生炉" Z( T0 s: u' {
压力控制在0. 6MPa 比较适宜，压力再高，促进作用已9 `9 T- W; j. ^8 L( O
不明显。
) W0 C2 A& p9 f% z! ~1 R7 B+ T! A58 《金属热处理》2005 年第30 卷第8 期
/ J2 o7 x* u( p d表1 经不同时间蒸汽处理后丝锥的硬度
( p8 j& V4 Y/ S/ K+ uTable 1 Hardness of the taps after steam
$ d# I& d1 W( U `- M+ L4 q2 Streating with different time8 f9 n2 n: a4 z% H
蒸汽处理时间/ h 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3/ t7 _, R4 @9 m- e1 ~1 m# C
丝锥处理后的硬度（HV） 574 683 741 766 778 784- I; j. f. l+ d" V8 e% m% y) {
将淬火、回火后的丝锥装炉，升温到300℃，保温，: p- h7 [( |9 A3 }
使零件充分预热，心部达100℃以上，大流量通入水蒸
$ o, o0 M: O4 B, \, `% X汽，吹洗容器赶走空气，升温到560℃，蒸汽压力, y$ `- j! o/ a4 B& ?5 H6 f) z9 y
0. 6MPa，保温2h，断电降温，400℃以下断气出炉。按
- ^' u4 k3 O0 S+ x& q此工艺处理的零件表面为蓝色Fe3O44 C0 |+ O6 K; O" c. ^' G+ S6 I" F
薄膜，颜色均匀，9 Q u& W+ ^6 _9 e/ a2 o5 l
无明显花斑及锈迹，膜的厚度为3 ～ 4μm，具有丰富的
' Q% q i1 ^( }% }9 h# D& m7 T微孔，吸油防锈，在刃具的切削过程中起到润滑作用，# f1 b V! r7 B: c' a8 {- d" V
其金相组织如图4a 所示。如出炉后立即将零件浸油，
' B% E* o- F1 t8 g; m. b" Q则呈深蓝色，为最佳状态。
6 W- z# A" k6 q/ m/ z蒸汽处理后，丝锥表层的显微硬度约766HV，比5 n* J/ I" L( I1 R/ V0 x6 }# K
心部略低（833HV），但多孔性的Fe3O4/ C+ y8 Q, U( F1 w: ?
膜能贮存一些
. d! T ~$ ^+ u# C4 O/ Q$ Q润滑剂，减少了丝锥的磨损；致密的Fe3O45 Y2 w3 x, y( N4 Y e, y
的存在还能3 v9 C1 k# j3 K) a v0 ^% ~. Y" Z
阻止热工件与丝锥基体直接接触，使丝锥表面不易产8 P. z$ O8 W X; {/ m* b; o5 N
生氧化腐蚀沟槽，从而减少诱发热疲劳裂纹的因素，可0 @6 l, v3 @$ _2 P3 u3 G' k
提高丝锥的使用寿命。
5 x3 L; n0 |6 [ n2. 2 离子镀处理. }; G: r Q. A' @
离子镀后丝锥表面获得约2. 5μm 的金黄色TiN
1 j* P. e. q" z$ k9 H8 L涂层，其金相组织如图4b 所示，表层即为TiN 涂层，与9 w& w& R0 e* T
图4 试样经蒸汽处理（a）和离子镀（b）. d" \8 _9 h; R: F; D5 B3 ~* h
后的表层金相组织 × 400
4 B! \- |; }+ C' lFig. 4 Surface optical microstructure of the samples
! u" d8 x. }: g6 ?7 H% u/ [- P- S- xafter steam treating（a）and ion plating（b） × 400) {' O! c" M% H! ?
基体结合牢固，均匀致密，显微硬度高达1021HV。
0 B) P' W5 w2 j9 {" |TiN 涂层丝锥的摩擦系数小，且具有自润滑性，可降低
, m$ Y Z4 W1 h F1 O9 m* m( j' `摩擦阻力，TiN 涂层的化学稳定性比未涂层的高得多，- r3 ~7 h9 Y1 Z8 J7 D
摩擦过程中涂层不易分解，减弱了扩散磨损，提高了抗
; w6 z2 B8 t3 e9 F- u3 x: U氧化磨损，大大提高了丝锥表面抗粘着性。4 s$ V0 U3 [! V8 A7 p! a$ A" Q7 ^
W4Mo3Cr4VSiN 钢丝锥离子镀TiN 后，其抗热疲劳性、
/ Q' y6 a0 h0 Q6 q9 \, R6 Z抗氧化性显著提高，故经TiN 涂层处理提高了丝锥的
6 z+ M! x0 q, V( f% s整体寿命。' Z. h! G! K4 d% ~& U1 g* I1 R9 x# L
2. 3 寿命试验
! l4 L6 k( g* C; i' y) |7 O& c/ c& a现场寿命考核结果如表2 所示。从表2 中可以看, D7 Z$ v- G; w; `$ z1 b, M+ `
出，W4Mo3Cr4VSiN 钢淬火回火后经蒸汽热处理后平
1 A( Y; [/ M/ E均寿命为1335 件/ 根，离子镀处理后平均寿命为16538 N2 R+ S7 i Z9 `
件/ 根，比未表面处理的丝锥平均寿命（621 件/ 根）分6 U# {3 J" P6 Q& U# ^
别提高了1. 15 倍和1. 66 倍。尽管离子镀处理后丝锥
/ G+ O( O* ?8 b4 G! @% E的寿命高于蒸汽处理后的丝锥，但是蒸汽处理工艺简+ [# G1 w/ _* k# O
单，加工成本低，因此技术经济效益好，所以从价格性6 e7 q& u3 G; |1 ]
能角度看，W4Mo3Cr4VSiN 钢丝锥选择蒸汽处理为宜。
8 Y3 k. {+ Q2 b0 _表2 丝锥寿命考核结果（单位：件/ 根）
g" h1 A6 o! v3 S- d/ Q2 o5 kTable 2 The examined results of the service life of screw tap+ u3 o" @6 ~& z) t
丝锥
" a! M5 Y' M) S4 J, g编号
! s7 M# I# l0 r; P% u1160℃淬火+ 560℃
7 y3 ]6 x- h# m: O× 1h4 i+ U" H3 _1 r
回火3 次
8 u' n# q F4 K, D# |) _1160℃淬火+ 560℃
" m- T @$ |6 K: Q1 o× 1h 回火3 次
+ ]) s/ h5 N" `7 w+ 蒸汽处理. I3 ~" j+ J. U
1160℃淬火+ 560℃
1 F1 y* [0 h* M, _ x. i× 1h 回火3 次
% t( w9 U! ^" F8 B+ 离子镀处理# A$ r9 ~' E2 y; N* q) c5 y3 N
1 479（折断） 1270（扣紧） 1325（折断）
5 W! {! ~: j7 H3 a; z2 537（折断） 1108（折断） 1968（磨损）2 B$ p: S& u$ R
3 410（折断） 1023（折断） 1370（折断）# g {: I; S' w
4 826（磨损） 1751（磨损） 1426（扣紧）4 ?9 K+ ~* y& h" }& S
5 673（啃扣） 1350（掉齿） 1897（磨损）( [# T- W1 f" U
6 804（磨损） 1505（磨损） 1933（磨损）
% W' M. m% f7 k: }, e平均寿命621 1335 1653# q' }3 f: ?5 ?- `+ E5 J6 }* O/ s
3 结论8 |* `" A, w5 g+ F2 T
（1）蒸汽处理的W4Mo3Cr4VSiN 钢丝锥表面为美4 I1 c/ ~4 J2 b# F4 ?" `0 F
观的蓝色，颜色均匀，无明显花斑及锈迹，表层Fe3O4
% | w8 {9 P& M2 h' ]: ~ T+ n) o与* |7 h: ~6 U x+ j7 u; ^# g# F
丝锥基体结合致密、均匀；离子镀后W4Mo3Cr4VSiN; ~! P* M2 x- @" g0 m1 E
钢表面获得2. 5μm 的金黄色TiN 涂层，TiN 与基体结
+ j# v! J8 v8 f合牢固，均匀致密，显微硬度高达1021HV。9 y0 d' W; @2 P0 C7 z z
（2）W4Mo3Cr4VSiN 钢制丝锥淬火回火后经蒸+ w- N1 F5 T7 Z+ L3 i Z
汽热处理和离子镀处理后平均寿命比未处理的丝锥分
2 n* C& d0 t) Q别提高了1. 15 倍和1. 66 倍，从价格性能角度看，+ v1 A: U# I% y6 A' ~
W4Mo3Cr4VSiN 钢丝锥选择蒸汽处理为宜。
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发表于 2007-12-22 08:29:40