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）
: P% b. i& X! x2 B4 X2 }6 O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
3 s& R7 P% S. ~$ Z' m1 w" r得厚度为（3 ～ 4）μm 的蓝色Fe3O4
2 Z: Q& [2 C! J& C, w% p8 {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
  h, g$ X3 j( k$ F中图分类号：TG13 文献标识码：A 文章编号：0254-6051（2005）08-0057-03
, X& r& \+ t5 Y; E% @+ j- QSurface Treatment and Application of W4Mo3Cr4VSiN Steel Taps
ZHAO Li-xin1，ZHENG Li-yun1，WU Bing-sheng1，LI Hai-mei2
' G* ~2 s/ l5 n9 T; E（1. College of Mechanical and Electronic Engineering；
! q/ Y  B% _3 V1 {& i$ `2. College of Resources，Hebei Institute of Engineering，Handan Hebei 056038，China）
+ }) u; p- J) I5 u# h# NAbstract：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.
The results show that the blue Fe3O4 layer of 3 ～ 4μm thick on the surface of screw taps by steam treating was obtained，
+ q" H* l# y, Q& y- z, K6 Eand its hardness is 766HV which is lower than that of the inner（833HV）. By ion plating，an about 2. 5 μm
+ P0 K. P. h: m4 ?6 {thick，golden yellow TiN layer on the surface of taps was obtained. After steam treating and ion plating，the service life of
, s0 i+ y1 X9 t0 Hthe tap is 1. 15 times and 1. 66 times longer respectively than that without surface treatment.
1 N% m2 J% ?# P. U  HKey words：low alloy high speed steel；steam treating；ion plating
- u: w% Q: Y; C0 F5 X2 |" N: J作者简介：赵立新（1969. 11—），男，河北邯郸人，副教授，主要
+ K- ?1 o( N. O. v; {从事金属材料及其应用研究。联系电话：0310-7429801，
13522078646 Email：[email=zhaolx1120@126]zhaolx1120@126[/email]. com
  U. J. @+ a$ a, W: o收稿日期：2005-02-05
; |9 o$ R1 m6 C. uW4Mo3Cr4VSiN（F205）钢中的W、Mo、V 元素总
) P/ O6 m9 l8 Y* x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
! v9 x; \2 }; s4 e" k( n3 B! Q, o( m性价比很高的钢种，日益受到人们的重视，特别是在刃
; Q9 m6 _5 E- e! O4 j+ x6 g1 E具方面的应用不断扩大［2，3］。为了消除丝锥表面的残
! C, w& a4 z' e' i5 f# q余应力，提高表面硬度或减少表面摩擦系数，提高丝锥
! h9 ]$ Z" H; D  @* f( V4 D3 D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，
4 Z4 S% `; j: x6 ^深入研究其基本特性和使用效果，选取了蒸汽处理和
- x. d6 H5 f# ^/ v1 w离子镀两种表面处理工艺方法对其进行表面处理，研
& y( o# \2 q" m- ^2 M. e究其组织性能，并进行了寿命试验。
- }# D- X3 T) J+ t% }' s. s1 试验材料及方法
1 {. S/ L* v0 ?4 \8 J1. 1 试验材料
试验用钢为热轧状态下低合金高速钢
  s  S8 B, k4 B% Q. b4 S( n3 VW4Mo3Cr4VSiN，尺寸为Ф9. 8mm × 65mm，原始组织为
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
* j/ T  b. `' k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
9 B+ @- ?0 O' h  t* s8 r的颗粒状硅及其它粒状化合物明显增多且均匀分布。
! ?9 [' j+ p$ D$ |& c, d- @* F: Z（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
! Y, g4 s- B6 R/ p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
符合丝锥对原材料的要求，如图1 所示。W4Mo3Cr4VSiN
钢的硬度为（207 ～ 229）HB，其化学成分要求标准
9 D6 P6 g. D( S9 @$ {) D& F  c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 ～
, R) m6 H: p$ O1. 0Si。实测值为0. 897C、3. 99 Cr、3. 60 W、2. 77 Mo、
1. 52 V、0. 721 Si。
图1 原始材料金相组织 × 400
0 P4 _& _. J/ O, H（a） 横向组织 （b）纵向组织
, y( v5 J# u' R: [. c5 mFig. 1 Optical microstructure of original material × 400
1. 2 试验设备及方法
; t6 B4 i* ~% z& ~采用VKVQgr40 / 40 / 60 型高压气淬炉进行淬火试
" A0 z/ ?' G* `# z8 i5 [验，额定功率80kW，炉温均匀性± 5℃，冷却气体纯N2
5 j# n! \  N( q* Y# f. j（99. 95%）；在SX-4-10M 型热处理炉中进行回火；在
) h3 N: Y7 |. F8 x+ S) jHT / 4A 型蒸汽处理炉中进行蒸汽处理，其工艺流程为
3 Y$ p. j! C, s" \2 k金属清洗液清洗（60℃ ～ 70℃）%冷水清洗%50% 工
业盐酸清洗%冷水清洗%蒸馏水清洗%蒸汽处理炉内
" c4 O+ Z5 s2 ?' G: ?蒸汽处理（560℃ × 2h，0. 6MPa）%出炉冷却%检验；在
5 w8 w+ ^4 H& gTJ / 8K 型离子镀专用设备上进行离子镀，其工艺流程
/ Q0 F: p- x* d- W1 S# `: h" R为镀前清洗处理%真空室抽真空至10 - 2 ～ 10 - 3 Pa%
离子轰击净化%离子轰击加热%离子沉积（约450℃，
0 r1 f+ H% r9 _9 y7 e30min）%冷却。离子镀选用99. 9%（质量分数，下同）
. R* N% q# w, K6 y) _( l9 b3 c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
4 a6 b" p% ]2 u& t* w9 `' z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
, L8 c8 h" W; Z8 Y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
验。寿命试验条件为在S4012A 型台式攻丝机上加工
0 d' K* h6 {0 g& ]% U. n# u汽车联轴器花键万向叉，其材料为08Al 钢，转速为
9 d- J( s* c. u9 V207 转/ min，切削深度为10mm，用油冷却并润滑。
! W0 f0 ~2 ^* |: X表面处理后的试样在OLYMPUS 显微镜上进行显
% y& {2 F" ]# l, \$ |微组织观察分析，用HXS-1000AK 显微硬度计进行硬
' B& P) O4 v, ?. `! R; O度测试。
图2 M8 丝锥的结构及尺寸
Fig. 2 Structure and dimensions of the M8 tap
; {) T5 {+ u8 ?4 o3 {5 Z! q/ q2 试验结果与分析
# H7 b, Y( O/ ]7 J% p, `" b* n2. 1 蒸汽处理
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
: a& d7 T. [& b) }8 d1 G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
( _0 l7 t% J1 N$ S& O$ A图3 中可明显看到FeO 和Fe3O4
共同生成区。在
/ K* J* g2 B' _/ T570℃以上形成的FeO，当温度降低到570℃以下时，将
" H- Y, S8 N+ p: W$ V发生共析分解（Fe3O4
1 F& ^" j% L& R) T3 |7 W! S2 i和Fe），此铁易被腐蚀，生成赤
褐色铁锈Fe2O3
。所以处理温度一般不得超过570℃。
而在300℃ 以下，氧化反应速度很慢。加热温度在
- \: u1 K/ G* C0 w5 U4 X( P560℃时生成的氧化膜厚度较适中，而且氧化质量增加
& \$ b+ t0 t# b3 W9 N1 J, W1 U率最高，因此，选择560℃作为处理温度。
5 u% h/ M+ t+ n, z- J& [# I' O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
确定保温时间的原则是应在零件充分加热的情况
下，有足够的时间让零件表面进行氧化。不同蒸汽处
- ?& _" Q. Q3 \+ S6 c0 T9 W理时间对丝锥表面硬度的影响如表1 所示。由表1 可
" e& u; X/ [0 `$ V3 r2 K* J* b7 X知，在相同的处理温度下，随蒸汽处理时间的延长，表
  a! J% [2 I2 ^3 X层硬度提高，但超过2h 后硬度的增加随时间变化的比
& R$ U. D1 P9 G9 h* k较缓慢，因此，本试验保温时间选取2h。提高水蒸汽
/ n- Y4 J7 {; o5 }的压力，有利于氧化反应的进行。本试验蒸汽发生炉
" W4 P9 U" i1 Z) k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
/ i5 i' U; e% C表1 经不同时间蒸汽处理后丝锥的硬度
, r- ~, J; O5 l$ UTable 1 Hardness of the taps after steam
treating with different time
蒸汽处理时间/ h 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3
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，
2 e' z. |% R/ c) z1 }2 C  L使零件充分预热，心部达100℃以上，大流量通入水蒸
5 k, `" ?) g/ j4 z) \! t汽，吹洗容器赶走空气，升温到560℃，蒸汽压力
0. 6MPa，保温2h，断电降温，400℃以下断气出炉。按
此工艺处理的零件表面为蓝色Fe3O4
: i  G4 \" w, J; @薄膜，颜色均匀，
& x1 Z! X' H5 w9 Y7 X+ i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，
则呈深蓝色，为最佳状态。
/ h1 I2 c% X6 P* y. g" P* s8 F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
0 d2 \1 R5 z( b" M1 u, k6 l" n膜能贮存一些
0 O: V) f- `2 h* X/ s# f润滑剂，减少了丝锥的磨损；致密的Fe3O4
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
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。
+ E* F5 s# j6 b( n2. 2 离子镀处理
5 \% B& c/ d6 {5 k离子镀后丝锥表面获得约2. 5μm 的金黄色TiN
! K( h( r/ u5 g3 g/ x: p' D涂层，其金相组织如图4b 所示，表层即为TiN 涂层，与
图4 试样经蒸汽处理（a）和离子镀（b）
后的表层金相组织 × 400
7 V, m/ s4 I  R" @Fig. 4 Surface optical microstructure of the samples
1 D! q  p6 Y/ R4 |3 [. O" P  S2 rafter steam treating（a）and ion plating（b） × 400
基体结合牢固，均匀致密，显微硬度高达1021HV。
2 }; o+ k5 e) H7 ~TiN 涂层丝锥的摩擦系数小，且具有自润滑性，可降低
+ ^; H6 A& G. U/ V3 A: K+ t2 Y摩擦阻力，TiN 涂层的化学稳定性比未涂层的高得多，
- X) k- j9 Q( @* G, [摩擦过程中涂层不易分解，减弱了扩散磨损，提高了抗
& Q& P" v, h9 j4 T3 [2 b5 D/ l3 |1 y% K氧化磨损，大大提高了丝锥表面抗粘着性。
2 [& b) N; B9 m6 T$ j7 }. z9 NW4Mo3Cr4VSiN 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
+ e% B* Z& `3 m) n! V# l( T& Z8 i* d整体寿命。
2. 3 寿命试验
  e8 o5 ?: b# j; j3 r- ?# N5 t现场寿命考核结果如表2 所示。从表2 中可以看
( v) y% n* |( k' Q* L5 z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
) }" V0 k0 O/ J  T8 p/ }件/ 根，比未表面处理的丝锥平均寿命（621 件/ 根）分
! y+ ?) p, t( t' L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
9 T6 ~7 `8 x. Q  i) }单，加工成本低，因此技术经济效益好，所以从价格性
6 [9 U, C& m6 ]; ~5 P$ F0 j! v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）
7 ~# l9 t0 Q) ^4 \# L& r6 bTable 2 The examined results of the service life of screw tap
% C5 `6 p* O5 X0 L5 Z+ U% Y' L" X丝锥
' n  U  o3 ]; V' P编号
1160℃淬火+ 560℃
× 1h
. S& a% [# R* t5 V0 b' V回火3 次
1160℃淬火+ 560℃
× 1h 回火3 次
+ 蒸汽处理
) P# F3 D: c& x4 g# w$ c" T1160℃淬火+ 560℃
× 1h 回火3 次
+ 离子镀处理
" {+ Q* i5 F  ?+ J0 x8 m1 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）
+ u- G7 Q( \. a6 804（磨损） 1505（磨损） 1933（磨损）
; f1 E6 \4 [& H平均寿命621 1335 1653
% B( |; Q/ f1 O3 @; |* n3 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
! U0 p# v) ^1 b7 c' v( U8 t与
/ t! U( P! Z# b9 w  ^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。
# s. {3 z9 T. f; X（2）W4Mo3Cr4VSiN 钢制丝锥淬火回火后经蒸
汽热处理和离子镀处理后平均寿命比未处理的丝锥分
, H: o0 I: p6 @3 x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。
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《金属热处理》2005 年第30 卷第8 期59
/ s) l# Y& ]" B* N% Q5 K
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