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W4Mo3Cr4VSiN 钢丝锥表面处理及应用' f* j: k2 Y' T; r' B( \% ^
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）: A6 ]# k; I8 H2 `
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
4 }+ B* Y; @0 }. W/ X' B+ A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
4 W0 N* p7 ~! W* a( H0 A" i( J得厚度为（3 ～ 4）μm 的蓝色Fe3O44 I" k$ b9 W: @5 o4 z' X5 ]
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
% Q5 A+ a: D9 [5 i A$ g# h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4 E: f+ s4 d) ^5 \
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。- p9 ^8 @$ z5 e
关键词：低合金高速钢；蒸汽处理；离子镀9 Q, V% w4 R! b. V
中图分类号：TG13 文献标识码：A 文章编号：0254-6051（2005）08-0057-03% Z9 ]3 b4 p# K! @: \- j
Surface Treatment and Application of W4Mo3Cr4VSiN Steel Taps
& T, F/ P0 H' Z; tZHAO Li-xin1，ZHENG Li-yun1，WU Bing-sheng1，LI Hai-mei2* T$ C3 d* r5 k0 U) ]2 a ~
（1. College of Mechanical and Electronic Engineering；1 `* P$ }- ?6 \7 M& O
2. College of Resources，Hebei Institute of Engineering，Handan Hebei 056038，China）
) L( J8 Q5 `3 s$ U. AAbstract：The W4Mo3Cr4VSiN low alloy high speed steel taps were steam treated and ion plated separately after quenching
; h8 o2 u D, ~) b* Zat 1160℃ and tempering at 560℃ × 1h for 3 times. Its microstructure，properties and service life were also investigated.; P+ W! W _( v+ O4 y7 t
The results show that the blue Fe3O4 layer of 3 ～ 4μm thick on the surface of screw taps by steam treating was obtained，. E* c/ n' y4 l: g7 g) a
and its hardness is 766HV which is lower than that of the inner（833HV）. By ion plating，an about 2. 5 μm8 V) s; a4 v7 l
thick，golden yellow TiN layer on the surface of taps was obtained. After steam treating and ion plating，the service life of& {5 S/ k+ [& {( c' n
the tap is 1. 15 times and 1. 66 times longer respectively than that without surface treatment.2 \- h3 c m' l. }# m
Key words：low alloy high speed steel；steam treating；ion plating
5 a7 U7 h8 l1 Z0 R, Y- C作者简介：赵立新（1969. 11—），男，河北邯郸人，副教授，主要6 w' d N. \8 {6 T+ A
从事金属材料及其应用研究。联系电话：0310-7429801，
/ m, E' X8 R& P/ ^) F2 m. X) T13522078646 Email：[email=zhaolx1120@126]zhaolx1120@126[/email]. com; k0 X/ t0 i; d- |
收稿日期：2005-02-05
7 r K, c# P2 e. z+ L! kW4Mo3Cr4VSiN（F205）钢中的W、Mo、V 元素总
" {' h4 t4 e/ v1 k. o3 b量为一般高速钢的3 / 5，而其性能却可以达到甚至超
) q! J- |3 I1 P1 \- i过M2 钢的水平［1］。因此，W4Mo3Cr4VSiN 钢是一种7 Z- {/ O8 F# c T
性价比很高的钢种，日益受到人们的重视，特别是在刃
8 r' n2 B8 z, P% c具方面的应用不断扩大［2，3］。为了消除丝锥表面的残
0 C, i$ [7 g1 u2 e8 E7 z余应力，提高表面硬度或减少表面摩擦系数，提高丝锥! u, I0 S/ W! F: f3 V: U: U- @/ O
表面的疲劳强度以及产品的使用寿命，作者在对2 P6 Q$ m) T9 }7 B; `
W4Mo3Cr4VSiN 钢中马氏体二次硬化的研究基础上，
7 D& o% D m0 U$ Z+ D/ R- f+ q深入研究其基本特性和使用效果，选取了蒸汽处理和
* l% a: @! v0 H6 Z. ]离子镀两种表面处理工艺方法对其进行表面处理，研$ y9 D" `, f9 I' G% h1 t
究其组织性能，并进行了寿命试验。7 L1 p+ E4 U/ [+ f7 }; n1 j+ W
1 试验材料及方法/ t% f. ?# K! R: P8 x
1. 1 试验材料
+ A, F5 S: f- O6 e, e* H试验用钢为热轧状态下低合金高速钢
1 t% G1 \ k" L/ Q! BW4Mo3Cr4VSiN，尺寸为Ф9. 8mm × 65mm，原始组织为' Y# a2 P7 H. Q; w9 ]
在细球状索氏体基体上均匀分布着碳化物颗粒，碳化' g* D' |1 B6 ?2 L7 |4 P. k! i
物沿轧制方向呈一定的带状分布趋势，但并不严重，
9 M- \/ y& ?# K5 a( V1 [度。经恰当时间的深冷处理，抗拉强度、硬度及伸长率
7 F0 E% X. r% p( m能同时提高，对Al-Si 合金最佳处理时间为72h。同时，
' J" E' I+ w: W深冷处理还改善了合金的显微组织，处理后合金组织中2 b* Y# F) g2 Q$ t6 [, s
的颗粒状硅及其它粒状化合物明显增多且均匀分布。
4 `! B3 T5 q6 ~3 ]" f" M; h) C- Q（2）铝合金经深冷处理改善性能的机理主要是：
5 a* K; y8 F' G+ k# M B深冷处理后合金中出现大量的位错缠绕及处理过程中
! P: M" R* ^' h4 L弥散析出Si 颗粒等强化相。( a. @0 `" @0 L' }& h2 ?6 p: o
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" y, {; w/ Q" g6 L( L《金属热处理》2005 年第30 卷第8 期57
h/ e$ K% `2 Z4 Z7 e符合丝锥对原材料的要求，如图1 所示。W4Mo3Cr4VSiN) D9 o; h. U0 x1 B4 R- `+ U
钢的硬度为（207 ～ 229）HB，其化学成分要求标准
( o9 W5 Y+ A5 D j% K) _& Z值（ 质量分数，%，下同）为0. 88 ～ 0. 96C、3. 80 ～. M7 z) N9 |8 F$ C3 U
4. 4Cr、3. 4 ～ 4. 2W、2. 4 ～ 3. 0Mo、1. 3 ～ 1. 6V、0. 70 ～
4 T$ M, W: V; K2 L! t* d7 r+ u1. 0Si。实测值为0. 897C、3. 99 Cr、3. 60 W、2. 77 Mo、7 a& m' w5 Z$ w7 S) C9 r6 o
1. 52 V、0. 721 Si。 _# Q) c2 G' U& h" x+ I9 R% u$ G
图1 原始材料金相组织 × 400
& d* a: U0 t. F" Q（a） 横向组织 （b）纵向组织% J! b) i1 `. C# m& j$ H+ K, [
Fig. 1 Optical microstructure of original material × 400
/ K2 b+ d' ~" t1 |3 B1 s1. 2 试验设备及方法* E, g& ]7 ]# l5 x6 O
采用VKVQgr40 / 40 / 60 型高压气淬炉进行淬火试6 r2 d% l1 U8 t: ?$ t! B
验，额定功率80kW，炉温均匀性± 5℃，冷却气体纯N29 ?3 A; L, q9 S P
（99. 95%）；在SX-4-10M 型热处理炉中进行回火；在& n% s0 I! ]% w4 o6 s4 p$ i! u
HT / 4A 型蒸汽处理炉中进行蒸汽处理，其工艺流程为6 X; @8 u' ]. z
金属清洗液清洗（60℃ ～ 70℃）%冷水清洗%50% 工6 D/ B# ]4 n1 s: P- Q5 f, T
业盐酸清洗%冷水清洗%蒸馏水清洗%蒸汽处理炉内
% S0 u2 G @: ?) |! l% E蒸汽处理（560℃ × 2h，0. 6MPa）%出炉冷却%检验；在
5 {; Q: d+ V: S* M% | l3 {TJ / 8K 型离子镀专用设备上进行离子镀，其工艺流程
" R! i: R$ d& X7 ^) d为镀前清洗处理%真空室抽真空至10 - 2 ～ 10 - 3 Pa%
9 j, w M, N5 u2 c+ B: b离子轰击净化%离子轰击加热%离子沉积（约450℃，
. n: k# J7 D$ L3 g, Z30min）%冷却。离子镀选用99. 9%（质量分数，下同）7 u$ ^8 e6 N3 B B6 G' J# V1 \
的纯钛靶，反应气体为99. 9% 的氮气，引弧及轰击气
8 Q; M' M& q, u% \- W+ h体采用99. 9%的氩气。
. ^( M) m; y; t8 Z. C+ b. N本试验产品为M8 机用丝锥，其结构尺寸如图25 k6 r W% z# N7 f5 G6 q
所示。先采用1160℃真空加压气淬并560℃ × 1h 回
l8 z! F: V- D3 d火3 次，真空加压气淬处理一批丝锥，任意抽取6 支进2 u3 ?; K+ y W ?' e8 o! z
行寿命试验；再对真空加压气淬回火的丝锥分别进行# P J) \3 a0 Y Y& M1 j
蒸汽处理和离子镀处理，各任意抽取6 支进行寿命试3 [: b9 M9 ?! x' I6 s0 `3 _
验。寿命试验条件为在S4012A 型台式攻丝机上加工; n; @' Z4 f5 g& P
汽车联轴器花键万向叉，其材料为08Al 钢，转速为
& n( t, ?6 ?' W0 h' M- T2 e207 转/ min，切削深度为10mm，用油冷却并润滑。
) U! c, p& Q" @7 X$ I- G: O6 q表面处理后的试样在OLYMPUS 显微镜上进行显
+ v% ~% H* u/ e3 g3 h$ ~3 Y* I微组织观察分析，用HXS-1000AK 显微硬度计进行硬
, n. E2 ~8 ~6 I+ o度测试。
0 z) u1 p/ q; j3 m" T2 s/ z图2 M8 丝锥的结构及尺寸
+ Q1 N( r) v+ u+ V0 D; d& l; Q" ?Fig. 2 Structure and dimensions of the M8 tap) o& S( n* B7 L( S& i, O
2 试验结果与分析% M% Z( n2 i: D: n
2. 1 蒸汽处理
1 R6 v; L5 \- U" L9 `- b. ?在一定温度条件下，水蒸汽与铁接触，分解出初生1 S; z, j' r& @6 s; `
态氧原子，氧原子与铁反应生成氧化物。铁质材料在
: f0 A/ e8 i w( C0 K; w* c' r水蒸汽中加热至400℃ ～ 700℃时，发生如图3 所示的
4 i' d& [7 j3 T4 a) X" Q& S, P& d化学反应，生成氧化物。当处理温度高于570℃时，从
# W$ \, n3 B1 m; D) ~# R& ^1 t' q图3 中可明显看到FeO 和Fe3O4
: {8 d2 b* S( N( ?6 S, c共同生成区。在
) i! B9 H3 o: D% w" t/ {7 o$ X: z- k570℃以上形成的FeO，当温度降低到570℃以下时，将
; ~$ W" r0 L* {; P发生共析分解（Fe3O48 ?0 r( V% s; X
和Fe），此铁易被腐蚀，生成赤
4 I, P6 _1 h, U' S# A) {褐色铁锈Fe2O3- A, W F4 d9 M9 Y: z. h
。所以处理温度一般不得超过570℃。0 c C3 V" y, L9 E& J$ T' a
而在300℃ 以下，氧化反应速度很慢。加热温度在
3 }0 b9 l3 ?) c6 v; C9 D560℃时生成的氧化膜厚度较适中，而且氧化质量增加! i7 T. g1 r% q Z- |, }8 ^
率最高，因此，选择560℃作为处理温度。
9 G+ f! ^8 \; x' @9 c图3 不同温度下Fe 与H2O 反应的状态图3 N; g6 M/ R% A. l2 z
Fig. 3 Equilibrium diagram of reaction between Fe and
1 u. [- a O6 B& o0 aH2O at different temperatures& A. V5 c r- {7 N8 } j& H% a1 z
确定保温时间的原则是应在零件充分加热的情况
, T* C9 K0 k* f/ v! v下，有足够的时间让零件表面进行氧化。不同蒸汽处
! Q, z9 k6 Z2 T; c理时间对丝锥表面硬度的影响如表1 所示。由表1 可
% Q% E. S, }+ S2 h知，在相同的处理温度下，随蒸汽处理时间的延长，表
/ P* Q7 Q+ R4 g/ @9 I! f层硬度提高，但超过2h 后硬度的增加随时间变化的比
& c5 d0 d5 V4 j1 [( e较缓慢，因此，本试验保温时间选取2h。提高水蒸汽6 V1 c% l9 l1 J4 R W
的压力，有利于氧化反应的进行。本试验蒸汽发生炉( n! i* k$ |5 |4 ~9 E4 h
压力控制在0. 6MPa 比较适宜，压力再高，促进作用已
- \$ i0 U& g7 \* k3 x不明显。6 V9 t+ [# V. \7 B) D W
58 《金属热处理》2005 年第30 卷第8 期
. D$ o2 p( W$ w, Z7 t. ^/ \表1 经不同时间蒸汽处理后丝锥的硬度* {' M1 \6 n3 r
Table 1 Hardness of the taps after steam
- V+ x1 z7 c! C+ f% B$ Dtreating with different time0 k' a8 B0 u! x- l) E. W( i
蒸汽处理时间/ h 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3
/ c. {9 O# @6 d& }0 Z9 L丝锥处理后的硬度（HV） 574 683 741 766 778 784
2 j& r5 t( [! y2 }& w7 H9 z将淬火、回火后的丝锥装炉，升温到300℃，保温，
' S3 i9 c3 T& D使零件充分预热，心部达100℃以上，大流量通入水蒸
; T( z+ }" p3 r( M9 a1 d汽，吹洗容器赶走空气，升温到560℃，蒸汽压力0 z4 \/ p* U* P- B7 b% i0 Z* ]
0. 6MPa，保温2h，断电降温，400℃以下断气出炉。按' L4 b% D. W+ B
此工艺处理的零件表面为蓝色Fe3O4
5 @4 P; P8 H: U薄膜，颜色均匀，! N" y+ f9 c s8 o4 m( u
无明显花斑及锈迹，膜的厚度为3 ～ 4μm，具有丰富的2 B5 k* _1 M0 o7 }* t; a% |
微孔，吸油防锈，在刃具的切削过程中起到润滑作用，
5 B0 ]: M: H: R3 e6 [其金相组织如图4a 所示。如出炉后立即将零件浸油，
; }8 i, M/ Q* \则呈深蓝色，为最佳状态。
& q {7 K. Y7 M2 E1 a( s+ r蒸汽处理后，丝锥表层的显微硬度约766HV，比6 a3 @" g( l; ]; b* h6 A
心部略低（833HV），但多孔性的Fe3O4
* Z2 I) j7 L8 B膜能贮存一些 C( ]% q- X3 q
润滑剂，减少了丝锥的磨损；致密的Fe3O40 U* j1 W @: M% j
的存在还能
6 v8 b K4 M% T f( c8 v阻止热工件与丝锥基体直接接触，使丝锥表面不易产
1 j& R* o5 R8 j) N8 ^生氧化腐蚀沟槽，从而减少诱发热疲劳裂纹的因素，可
+ f5 v: z2 E7 J; r/ O, H提高丝锥的使用寿命。" {2 K' q9 w6 Y1 q7 H; y D4 q9 k
2. 2 离子镀处理 p0 j! I7 @' f) v7 ?: m2 Q3 B4 P
离子镀后丝锥表面获得约2. 5μm 的金黄色TiN
, c8 U( x n7 b涂层，其金相组织如图4b 所示，表层即为TiN 涂层，与( y; r% o& J E' }9 T* [. g
图4 试样经蒸汽处理（a）和离子镀（b）
( e1 E) u% Q8 c( Z后的表层金相组织 × 400
3 j8 ~$ O; T, S& v2 v+ v/ {2 G1 f2 fFig. 4 Surface optical microstructure of the samples
% T J/ @, o& } V2 d2 h8 Gafter steam treating（a）and ion plating（b） × 400
9 e! a! I5 u1 A; e! z" i8 N基体结合牢固，均匀致密，显微硬度高达1021HV。
1 b2 @( o) a* F% STiN 涂层丝锥的摩擦系数小，且具有自润滑性，可降低
7 R0 z5 G$ N: A, Z# K/ y! t摩擦阻力，TiN 涂层的化学稳定性比未涂层的高得多，
! L# P# }0 K7 R* n3 J/ c9 s摩擦过程中涂层不易分解，减弱了扩散磨损，提高了抗 y9 T* z6 q# u/ s2 }
氧化磨损，大大提高了丝锥表面抗粘着性。/ U$ p. K# X0 L5 s
W4Mo3Cr4VSiN 钢丝锥离子镀TiN 后，其抗热疲劳性、
! w) v" E5 Q* e8 C6 b抗氧化性显著提高，故经TiN 涂层处理提高了丝锥的
. b% R8 H- N: p, Q整体寿命。
# G% x% R* r! _, B6 B2 Z" n2. 3 寿命试验( ^. f( n6 R/ f6 ?' Q
现场寿命考核结果如表2 所示。从表2 中可以看
; g+ c( f3 q: } m出，W4Mo3Cr4VSiN 钢淬火回火后经蒸汽热处理后平0 S8 D+ l: a4 K# E7 G
均寿命为1335 件/ 根，离子镀处理后平均寿命为1653
( a( h4 B0 T4 ^. h( b! z* K件/ 根，比未表面处理的丝锥平均寿命（621 件/ 根）分
0 s! [: X2 z' u别提高了1. 15 倍和1. 66 倍。尽管离子镀处理后丝锥2 r1 U, G# F. K m( p- d8 h$ D# P
的寿命高于蒸汽处理后的丝锥，但是蒸汽处理工艺简
* k9 r" Q- p8 H8 K单，加工成本低，因此技术经济效益好，所以从价格性
, E9 C6 x3 Y$ @4 J能角度看，W4Mo3Cr4VSiN 钢丝锥选择蒸汽处理为宜。& E* a4 z: b F' _7 d
表2 丝锥寿命考核结果（单位：件/ 根）2 i$ E9 h, E) T6 b3 ]
Table 2 The examined results of the service life of screw tap1 p; U6 O" V' P' C- c" @ f2 ]
丝锥 g5 T& P5 g" T* T9 X8 q7 F. v
编号" K1 |) d. U- Y7 U5 x* H. p8 [
1160℃淬火+ 560℃4 D) `- r3 _, d2 o1 n0 @
× 1h
8 H9 G) F. Y9 p! Q+ {回火3 次2 R! r5 O( f9 g- m' U8 R& f: o
1160℃淬火+ 560℃* `: { x! Z4 m( x7 [; U; F8 ]# P
× 1h 回火3 次3 f4 B$ m8 k2 v7 J% u/ X
+ 蒸汽处理! @0 f, x5 {! Q; `1 F
1160℃淬火+ 560℃0 `8 j# D4 C i! s
× 1h 回火3 次
2 a& M5 n9 p9 W$ e, W: N* i: H: A9 R+ 离子镀处理
% c% B' o( i4 q' [8 b1 w6 g, L1 479（折断） 1270（扣紧） 1325（折断）# {; j6 a4 P2 V( i
2 537（折断） 1108（折断） 1968（磨损）
1 V) j* Q; K6 ?, q6 X$ z. p2 p3 410（折断） 1023（折断） 1370（折断）+ M) S1 `3 G/ s* |/ P# t
4 826（磨损） 1751（磨损） 1426（扣紧）
) O6 k# G3 [' J' [- L5 673（啃扣） 1350（掉齿） 1897（磨损）2 O& B0 c) i, ~, }
6 804（磨损） 1505（磨损） 1933（磨损）: y: n8 M( G [+ ^4 `: [
平均寿命621 1335 1653
! M5 D1 H" ~0 k' H) C3 o3 结论
+ n$ ?# W5 e9 X0 a- ^" O& k（1）蒸汽处理的W4Mo3Cr4VSiN 钢丝锥表面为美
, B9 p Y: P. J6 k观的蓝色，颜色均匀，无明显花斑及锈迹，表层Fe3O47 R, }. c4 S% {1 c
与
9 O4 k- l5 S. a# d丝锥基体结合致密、均匀；离子镀后W4Mo3Cr4VSiN2 v6 H1 G; l: Y' ~
钢表面获得2. 5μm 的金黄色TiN 涂层，TiN 与基体结
: E- n) ^( L4 z5 ?$ w u合牢固，均匀致密，显微硬度高达1021HV。& G1 J$ ^! h# {8 v! G- l
（2）W4Mo3Cr4VSiN 钢制丝锥淬火回火后经蒸' A$ [1 Y" c& V& G, ^, ?
汽热处理和离子镀处理后平均寿命比未处理的丝锥分
( u4 m! K) _+ x8 A- @% o* n别提高了1. 15 倍和1. 66 倍，从价格性能角度看，! l' J j4 g( {
W4Mo3Cr4VSiN 钢丝锥选择蒸汽处理为宜。
8 G* `. E, |9 b, z+ w6 d% S/ T: p参考文献：2 s' d" w, b' N, {6 q
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5 x9 q4 w9 t- P- y+ h! h
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发表于 2007-12-22 08:29:40