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W4Mo3Cr4VSiN 钢丝锥表面处理及应用+ J# ?4 b7 u) E0 Y
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）
0 ^4 g* |# r& m0 ?& S% ]# J) Y& E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
- G0 ^9 S" L2 X/ Z6 N: 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" ?4 c* M; x# ^
得厚度为（3 ～ 4）μm 的蓝色Fe3O4
9 k4 P; m3 M' E0 m) i: F7 ]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# ^) n& C9 g0 v3 j
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: k, u' S' Y' @
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。, V# _' @0 H# t: R: J4 l
关键词：低合金高速钢；蒸汽处理；离子镀: m/ W( f1 j- q" J: C
中图分类号：TG13 文献标识码：A 文章编号：0254-6051（2005）08-0057-03
. S& q& F3 h0 t. ?, J& J+ @/ USurface Treatment and Application of W4Mo3Cr4VSiN Steel Taps' f$ J6 d+ b8 ]0 W
ZHAO Li-xin1，ZHENG Li-yun1，WU Bing-sheng1，LI Hai-mei26 l! A2 d* }5 C& A+ g$ e
（1. College of Mechanical and Electronic Engineering；/ j3 }4 c) L X0 x9 H
2. College of Resources，Hebei Institute of Engineering，Handan Hebei 056038，China）
% j# v' z, @6 S1 }Abstract：The W4Mo3Cr4VSiN low alloy high speed steel taps were steam treated and ion plated separately after quenching
8 E2 [ g+ D: {4 tat 1160℃ and tempering at 560℃ × 1h for 3 times. Its microstructure，properties and service life were also investigated.4 A3 T6 X+ a9 X0 v
The results show that the blue Fe3O4 layer of 3 ～ 4μm thick on the surface of screw taps by steam treating was obtained，; q; v4 A$ h$ P0 I5 p6 c2 J
and its hardness is 766HV which is lower than that of the inner（833HV）. By ion plating，an about 2. 5 μm
+ a* e% i- y3 z0 }/ Zthick，golden yellow TiN layer on the surface of taps was obtained. After steam treating and ion plating，the service life of" c" Q! K3 V, |0 z" [! h
the tap is 1. 15 times and 1. 66 times longer respectively than that without surface treatment.
4 _5 ?9 n% p2 M4 CKey words：low alloy high speed steel；steam treating；ion plating* l# N) e% S6 x# P; Y
作者简介：赵立新（1969. 11—），男，河北邯郸人，副教授，主要
$ `2 c" f: E: P! b; k2 q$ [# K- K( ~从事金属材料及其应用研究。联系电话：0310-7429801，
N% W! E. _1 K( ^* b1 @7 N13522078646 Email：[email=zhaolx1120@126]zhaolx1120@126[/email]. com& D, V; [) E* B% V1 ^. H
收稿日期：2005-02-050 @) n$ e( X1 A" p) O% P7 k7 R# P, V
W4Mo3Cr4VSiN（F205）钢中的W、Mo、V 元素总
$ t9 L/ ?7 u# K( ~: O- c量为一般高速钢的3 / 5，而其性能却可以达到甚至超
7 D2 R3 Q5 h E5 Y m过M2 钢的水平［1］。因此，W4Mo3Cr4VSiN 钢是一种
+ G; J i) g e) I性价比很高的钢种，日益受到人们的重视，特别是在刃
( W' i: @. f5 f& I0 P) n% n具方面的应用不断扩大［2，3］。为了消除丝锥表面的残
% i7 x( r/ }4 A1 W9 y# n5 z余应力，提高表面硬度或减少表面摩擦系数，提高丝锥; T* _2 I( D6 B
表面的疲劳强度以及产品的使用寿命，作者在对, @2 B1 B. \) O2 O, | y
W4Mo3Cr4VSiN 钢中马氏体二次硬化的研究基础上，
3 m; z6 a# j6 L, s# ^" q深入研究其基本特性和使用效果，选取了蒸汽处理和
( E- R4 L, [' g0 g离子镀两种表面处理工艺方法对其进行表面处理，研3 ]2 i2 L V# o& ~8 \
究其组织性能，并进行了寿命试验。, ] x) V8 I x# z) ?/ s
1 试验材料及方法0 g* d# b) K0 I
1. 1 试验材料
- t4 T* [' {: u4 c试验用钢为热轧状态下低合金高速钢
/ v- S/ w' r8 V; @2 L1 XW4Mo3Cr4VSiN，尺寸为Ф9. 8mm × 65mm，原始组织为
2 c$ u' Q) g: K2 u在细球状索氏体基体上均匀分布着碳化物颗粒，碳化; A5 g' f" s, W5 Y. E0 v
物沿轧制方向呈一定的带状分布趋势，但并不严重，
' m3 {0 ~6 M% K5 M度。经恰当时间的深冷处理，抗拉强度、硬度及伸长率
/ G* f m: B* u5 X+ C. Q) }能同时提高，对Al-Si 合金最佳处理时间为72h。同时，
2 l6 a/ O) |* b9 ?' B深冷处理还改善了合金的显微组织，处理后合金组织中
: V( A& Z" c% R9 L: i' }3 ^- K" Z的颗粒状硅及其它粒状化合物明显增多且均匀分布。
7 \% x! [( t) F( f5 i9 U（2）铝合金经深冷处理改善性能的机理主要是：
# h% M$ I$ a" A. ?( Q深冷处理后合金中出现大量的位错缠绕及处理过程中9 _* a+ u0 l7 @9 V1 d) l7 L
弥散析出Si 颗粒等强化相。7 r7 h, G( U2 Q) J1 R2 ~
参考文献：
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的影响［J］. 金属热处理，1998，23（5）：36-38，45.
1 b& @4 X% _. d% w9 b( H《金属热处理》2005 年第30 卷第8 期57
0 K* s; V$ X: w. E. j% X8 T3 l符合丝锥对原材料的要求，如图1 所示。W4Mo3Cr4VSiN
& b5 F! y% j0 W1 Z! c. g钢的硬度为（207 ～ 229）HB，其化学成分要求标准
x9 |/ [8 z7 G! j0 k- _值（ 质量分数，%，下同）为0. 88 ～ 0. 96C、3. 80 ～4 Q; O1 g0 d, M5 s$ v
4. 4Cr、3. 4 ～ 4. 2W、2. 4 ～ 3. 0Mo、1. 3 ～ 1. 6V、0. 70 ～
6 J- K9 Z# F7 b* F7 r) [. O2 A# ~1. 0Si。实测值为0. 897C、3. 99 Cr、3. 60 W、2. 77 Mo、4 N3 f! v/ l0 {& T6 { l4 k
1. 52 V、0. 721 Si。5 |: U% N( ?# I& ~/ [) K; k3 i
图1 原始材料金相组织 × 4007 E |4 c x: Z3 m4 q
（a） 横向组织 （b）纵向组织
$ o* t3 m& s4 _; @9 e, d9 ~+ ^Fig. 1 Optical microstructure of original material × 400
, W: T# A. w1 R! |% ]+ q1. 2 试验设备及方法
9 \$ }* }5 X* E采用VKVQgr40 / 40 / 60 型高压气淬炉进行淬火试/ p8 Y, K9 R; F7 S/ q& G
验，额定功率80kW，炉温均匀性± 5℃，冷却气体纯N29 U( p9 _' t" b: a# X
（99. 95%）；在SX-4-10M 型热处理炉中进行回火；在1 U. u* u: N; z$ F5 ]" n% e8 y5 O' H
HT / 4A 型蒸汽处理炉中进行蒸汽处理，其工艺流程为 J! R2 W0 b; o6 S) ~; C
金属清洗液清洗（60℃ ～ 70℃）%冷水清洗%50% 工3 m& v3 G s7 k% _- @0 t: H
业盐酸清洗%冷水清洗%蒸馏水清洗%蒸汽处理炉内
- G% D3 `! F' Y0 S0 a蒸汽处理（560℃ × 2h，0. 6MPa）%出炉冷却%检验；在
\8 L. a! p3 Q y; C/ s6 }$ eTJ / 8K 型离子镀专用设备上进行离子镀，其工艺流程# k* d- L4 Q; i) h9 M, t3 d1 e) z
为镀前清洗处理%真空室抽真空至10 - 2 ～ 10 - 3 Pa%
1 k" V: ]9 R& _3 ]8 ]1 \6 w离子轰击净化%离子轰击加热%离子沉积（约450℃， r* X* I$ k$ B9 i
30min）%冷却。离子镀选用99. 9%（质量分数，下同）! o# O0 p6 |$ g) }/ v
的纯钛靶，反应气体为99. 9% 的氮气，引弧及轰击气
% H9 u1 Q o( `0 Y体采用99. 9%的氩气。
5 E( ~/ q8 c+ H/ R. V' T本试验产品为M8 机用丝锥，其结构尺寸如图2
* y3 W8 s; _* N9 F+ f所示。先采用1160℃真空加压气淬并560℃ × 1h 回: \' Y2 Q/ ^; Z/ n4 s
火3 次，真空加压气淬处理一批丝锥，任意抽取6 支进. V/ E% a# H) [
行寿命试验；再对真空加压气淬回火的丝锥分别进行$ r7 y/ h; T! r: R6 s6 b
蒸汽处理和离子镀处理，各任意抽取6 支进行寿命试! n6 F: K$ k8 _0 D# ^! L' H0 M
验。寿命试验条件为在S4012A 型台式攻丝机上加工/ ~) J: j. C1 \. W# ~% H; H
汽车联轴器花键万向叉，其材料为08Al 钢，转速为9 K! R( O- S2 t$ U0 B$ Z" K
207 转/ min，切削深度为10mm，用油冷却并润滑。
& ~3 z( w* ] X. [2 m% [/ V" N/ B表面处理后的试样在OLYMPUS 显微镜上进行显
% N) i0 v- _, R3 c8 J6 l微组织观察分析，用HXS-1000AK 显微硬度计进行硬
7 J1 d \4 W# H2 |, y度测试。4 X2 f; w% F2 F8 N3 c X
图2 M8 丝锥的结构及尺寸
& b, w1 d. m {/ C# KFig. 2 Structure and dimensions of the M8 tap
* R' c3 `: W2 S2 试验结果与分析5 Y2 j- R' z+ d! G( p2 R) h: s) ?
2. 1 蒸汽处理
9 P- A5 S# e# o6 h* z在一定温度条件下，水蒸汽与铁接触，分解出初生
3 U$ V& {0 s* k$ D2 _态氧原子，氧原子与铁反应生成氧化物。铁质材料在9 r0 ]& c$ @0 N, y$ x
水蒸汽中加热至400℃ ～ 700℃时，发生如图3 所示的$ p8 f! s2 @! p# q. Y( Q" k
化学反应，生成氧化物。当处理温度高于570℃时，从1 `$ b ]3 m( |( E" _, h4 ~( G
图3 中可明显看到FeO 和Fe3O4
5 j! p& D8 S9 [1 ]3 b3 N共同生成区。在
" h/ N5 U2 z- A570℃以上形成的FeO，当温度降低到570℃以下时，将1 l' ] ^2 @5 a, k, p. K9 k4 c4 [
发生共析分解（Fe3O4! F& \8 u+ ?- W6 W& M
和Fe），此铁易被腐蚀，生成赤" o" l1 Z5 k' q& E7 Q8 e
褐色铁锈Fe2O3( }. k9 j! v2 i. D+ K \0 G
。所以处理温度一般不得超过570℃。
! C! h0 s: ^: v/ Z而在300℃ 以下，氧化反应速度很慢。加热温度在9 j! w& n" P. r% H2 v
560℃时生成的氧化膜厚度较适中，而且氧化质量增加9 D' R4 F( u$ G5 s. I
率最高，因此，选择560℃作为处理温度。+ _" T& I6 T5 c: e: z( D# n
图3 不同温度下Fe 与H2O 反应的状态图
- x# K; z& v, A; A0 k+ J# j2 V. NFig. 3 Equilibrium diagram of reaction between Fe and
7 C- a3 S) d3 x& z7 ?' EH2O at different temperatures
; U3 r1 }7 y. Y% V3 _确定保温时间的原则是应在零件充分加热的情况, {. W+ n. [$ b) r, d
下，有足够的时间让零件表面进行氧化。不同蒸汽处. i6 l4 g! X+ \" p! T" x7 f
理时间对丝锥表面硬度的影响如表1 所示。由表1 可) d( e" `8 C' T1 @6 n5 h4 m9 _
知，在相同的处理温度下，随蒸汽处理时间的延长，表
% j$ B; i* i: g; q$ r; U层硬度提高，但超过2h 后硬度的增加随时间变化的比/ ]3 U# |' E& D" U4 Q8 a, @' S. r0 |) g
较缓慢，因此，本试验保温时间选取2h。提高水蒸汽* f; T* l( I9 A
的压力，有利于氧化反应的进行。本试验蒸汽发生炉! ]$ }) L8 b) L6 Z. v! E& O: L0 G& I5 F
压力控制在0. 6MPa 比较适宜，压力再高，促进作用已
, ?5 J4 D6 b5 h" J" _3 e. B" F- _不明显。
- P2 Z# E& c* J, d. [" L58 《金属热处理》2005 年第30 卷第8 期# b9 l4 p& O0 d# h# A
表1 经不同时间蒸汽处理后丝锥的硬度3 ]; e. s/ c, r1 y# L5 C9 a* m- b
Table 1 Hardness of the taps after steam
3 A7 ]5 K+ h( n; G& }# x! Etreating with different time0 s7 f2 s, B2 K2 F. G0 Y. `
蒸汽处理时间/ h 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3( v0 v K$ ?5 T B0 g
丝锥处理后的硬度（HV） 574 683 741 766 778 784
7 z# y' J6 O- N( q将淬火、回火后的丝锥装炉，升温到300℃，保温，
" W1 U/ X) y8 j7 V1 J$ D% R+ @+ n& Q4 a使零件充分预热，心部达100℃以上，大流量通入水蒸. s, A, ^' m: h0 J# j; \& Z
汽，吹洗容器赶走空气，升温到560℃，蒸汽压力
& C2 r* ^4 U/ q- v" L* ?8 x0. 6MPa，保温2h，断电降温，400℃以下断气出炉。按
. j5 k. z& z7 p+ n/ G此工艺处理的零件表面为蓝色Fe3O4
% G, E- ~; B0 x/ S2 b: D薄膜，颜色均匀，5 q. Z1 Z7 o% ~
无明显花斑及锈迹，膜的厚度为3 ～ 4μm，具有丰富的
( X7 ]" G8 n& ?; _2 q微孔，吸油防锈，在刃具的切削过程中起到润滑作用， r7 W. r4 t! Z' h) ^+ s
其金相组织如图4a 所示。如出炉后立即将零件浸油，
8 {$ b6 Z& x, r) b. K则呈深蓝色，为最佳状态。
7 E$ q" ?( u. J' ^: |# r$ D蒸汽处理后，丝锥表层的显微硬度约766HV，比
x+ U1 ^% D; \7 l心部略低（833HV），但多孔性的Fe3O4
; ?$ ^ v# ^" y) |1 l" `膜能贮存一些 D2 F2 {& |( k0 h" W! h
润滑剂，减少了丝锥的磨损；致密的Fe3O4
! ^9 O' n* V# q% r4 g# y& |的存在还能
8 \- p0 L) I# [8 W8 C% I. N6 v阻止热工件与丝锥基体直接接触，使丝锥表面不易产" {" i9 P- D1 g, E/ {- y: n
生氧化腐蚀沟槽，从而减少诱发热疲劳裂纹的因素，可
_: H/ R5 \( v% M8 r1 Y/ E) B提高丝锥的使用寿命。
# t% M# n+ b6 n2. 2 离子镀处理* C1 t. e6 \- u3 r+ \# p6 {
离子镀后丝锥表面获得约2. 5μm 的金黄色TiN
9 z6 Y9 f1 m9 n/ \8 [, g1 f涂层，其金相组织如图4b 所示，表层即为TiN 涂层，与 ]$ `" `2 k0 Y8 e( j* q1 _4 G
图4 试样经蒸汽处理（a）和离子镀（b）9 W/ H9 k7 |3 ^! t# W1 u6 P- c H+ E' W
后的表层金相组织 × 400
/ |) T# G* ?# O0 [8 w4 E5 Y8 S5 ^3 oFig. 4 Surface optical microstructure of the samples e4 x/ Y2 W; b* N( R
after steam treating（a）and ion plating（b） × 400
5 ` W1 e/ l/ M6 c- ^1 J( `# p基体结合牢固，均匀致密，显微硬度高达1021HV。
( k% @6 O) ]. v$ vTiN 涂层丝锥的摩擦系数小，且具有自润滑性，可降低
4 U6 V& j; M b; ^1 R# j摩擦阻力，TiN 涂层的化学稳定性比未涂层的高得多，
; K+ \0 |, A% b& {7 m% H* {+ H) B摩擦过程中涂层不易分解，减弱了扩散磨损，提高了抗1 ]6 r& o/ x* J u" ], @3 G& S) j" {) a
氧化磨损，大大提高了丝锥表面抗粘着性。
$ [, |- F5 N6 |. A. ]$ QW4Mo3Cr4VSiN 钢丝锥离子镀TiN 后，其抗热疲劳性、
, T% p& _5 B, L `- ]抗氧化性显著提高，故经TiN 涂层处理提高了丝锥的
8 L# k9 ]# k1 Z5 m整体寿命。4 a$ F, R% s$ ?$ U6 g1 ]! x
2. 3 寿命试验
, ]' t. _3 ~ k现场寿命考核结果如表2 所示。从表2 中可以看) `, }4 _+ m5 Y3 {, A: I6 Z
出，W4Mo3Cr4VSiN 钢淬火回火后经蒸汽热处理后平2 [2 g9 k Y, y) Y# ^
均寿命为1335 件/ 根，离子镀处理后平均寿命为1653* \1 A4 C7 k5 u: n7 F1 w; x
件/ 根，比未表面处理的丝锥平均寿命（621 件/ 根）分) z$ b3 G8 F+ T* A0 w( V. c0 v
别提高了1. 15 倍和1. 66 倍。尽管离子镀处理后丝锥
6 I2 i7 d7 ?6 b. |" K( g) Q的寿命高于蒸汽处理后的丝锥，但是蒸汽处理工艺简
+ q% Y9 x' B! B. N/ D单，加工成本低，因此技术经济效益好，所以从价格性: V# Q# c/ R; |* t z
能角度看，W4Mo3Cr4VSiN 钢丝锥选择蒸汽处理为宜。
, Q$ Y$ f6 Q' S4 x4 h! {表2 丝锥寿命考核结果（单位：件/ 根）: \9 Q7 x7 |* x
Table 2 The examined results of the service life of screw tap$ Z$ i3 \* Q0 @
丝锥/ r; h4 _, s4 V5 M) T7 E# B" {/ ?: E
编号& k# K x6 y9 `4 [ z
1160℃淬火+ 560℃
& z8 Q/ T% }5 K- ]5 K8 _) S, K× 1h
+ A, N! L' a+ S1 `6 h) f4 m" q! x回火3 次
5 b9 R3 F& m0 k% x1160℃淬火+ 560℃- k7 J+ B e$ w* J
× 1h 回火3 次7 p8 w8 N* p7 q# u' p* T
+ 蒸汽处理
0 ]3 [0 n/ J+ ~: w. y- y, [1160℃淬火+ 560℃
+ z9 g! g; F5 q3 V× 1h 回火3 次
" V, \' j8 ?5 W3 J8 U+ 离子镀处理8 [: _% V; l! x; C" b" I
1 479（折断） 1270（扣紧） 1325（折断）9 P' ^+ U0 b0 v7 K( F1 y: o& ?
2 537（折断） 1108（折断） 1968（磨损）0 L# G# J, w% U0 D
3 410（折断） 1023（折断） 1370（折断）5 q9 ]" X, a! V- F8 S' z# i3 ^ X
4 826（磨损） 1751（磨损） 1426（扣紧） A" K9 m* J3 M
5 673（啃扣） 1350（掉齿） 1897（磨损）
& F; s7 }/ ~' G6 804（磨损） 1505（磨损） 1933（磨损）: w) h9 b( [# E: G/ L. o
平均寿命621 1335 1653
: m0 e: M# R2 g$ V a3 结论
1 S8 h$ Z, K/ T4 O6 K4 L/ m0 |（1）蒸汽处理的W4Mo3Cr4VSiN 钢丝锥表面为美% D# M V% s% L- A; m- V$ O* w# a
观的蓝色，颜色均匀，无明显花斑及锈迹，表层Fe3O4) [6 F4 o( T- K5 n1 Q3 d
与$ `* z! _$ Y# V: c% G
丝锥基体结合致密、均匀；离子镀后W4Mo3Cr4VSiN
2 Y2 H' U5 Q' o3 D1 |4 j钢表面获得2. 5μm 的金黄色TiN 涂层，TiN 与基体结
' f! t. ?5 Y, I合牢固，均匀致密，显微硬度高达1021HV。
& w2 ^5 ]5 M- x6 h（2）W4Mo3Cr4VSiN 钢制丝锥淬火回火后经蒸
( x; X7 G0 U C! o% v3 ?汽热处理和离子镀处理后平均寿命比未处理的丝锥分
( A5 Y4 W/ m# n+ ]. r; H别提高了1. 15 倍和1. 66 倍，从价格性能角度看，
$ e, y) v) M4 g- u7 H3 V# Z+ H& r4 jW4Mo3Cr4VSiN 钢丝锥选择蒸汽处理为宜。
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发表于 2007-12-22 08:29:40