Cr12稀土铬钒共渗覆层组织性能的研究

苏 谋，黄福祥，曹登驹，赵燕燕，姜智枭

(1.重庆理工大学材料科学与工程学院，重庆 400054;2.重庆莱斯硬化技术研究所，重庆 400084)

TD(thermal diffusion carbide coating process)处理技术是一种先进的冷作模具表面改性技术，包括熔盐浸镀法、粉末法和电解法，能够大大改善模具表面的综合性能，延长其使用寿命［1-5］。由于该技术具有设备简单，操作方便，生产成本低，处理后所形成的碳化物具有性能良好等优点，近些年来被广泛应用［6］。稀土元素由于特殊的电子结构，在化学热处理过程中能缩短热处理周期，降低热处理温度，节约能源，并对工件渗层的组织和性能有明显改良作用［7-9］。我国稀土资源丰富，通过对稀土在渗层中的作用机理研究，可充分发挥资源优势，从而获得最佳的技术经济效益［10-15］。

本文利用TD处理获得铬钒共渗及铬钒稀土的碳化物覆层，并对覆层性能进行研究分析，以期得到稀土元素在共渗层中对渗层的影响，从而延长模具使用寿命。

1 试验方法及设备

本实验所采用的盐浴主要成分为基盐工业硼砂、供铬剂、供钒剂、还原剂、活化剂和稀土硅铁等。基体材料是最常用的冷作模具钢Cr12和Cr12MoV，其化学成分(wt%)见表1。

表1 Cr12和Cr12MoV的化学成分

对基材进行盐浴稀土铬钒多元共渗。试样经抛光、除油、除锈等预处理后，将工业硼砂除水熔融，其他盐浴成份混合均匀，预热干燥后，加入坩埚入炉加热熔融。试样经400℃预热30 min，待熔盐熔化均匀后置入坩埚炉，共渗温度940℃，保温4 h，渗后试样直接油淬，后经180℃ ×2 h回火，沸水水浴2 h处理。

利用HVS-1000显微硬度计测量渗层表面显微硬度，载荷50 g，保持载荷12 s。利用金相显微镜Axio Imager A10对渗层进行厚度测量。利用DX-2500型X射线衍射仪分析渗层物相。

2 试验结果与分析

2.1 共渗层厚度及金相组织

Cr12模具钢经铬钒共渗及稀土铬钒多元共渗后，渗层金相组织如图1所示。铬钒共渗渗层厚度为3.5 μm，经稀土铬钒共渗后渗层厚度达到5.4 μm。

图1 覆层金相显微照片(500×)

从图1中可以明显看到:Cr12冷作模具钢经铬钒共渗所得覆层凹凸不平、连续性较差，而经稀土铬钒共渗后所得覆层表面更加平整、均匀，且连续提高、致密性更好。

2.2 共渗层硬度

利用HVS-1000显微硬度计对Cr12冷作模具钢所得覆层进行表面显微硬度测量，施加载荷为50 g，保荷时间为12 s。铬钒共渗层所得硬度为1 733 HV0.05，而稀土铬钒共渗所得渗层显微硬度达到了2 120 HV0.05，覆层的显微硬度值显著提高。

2.3 共渗层相结构及组织形貌分析

Cr12、Cr12MoV模具钢经稀土铬钒多元共渗前后渗层XRD图谱如图2、3所示。

图2 铬钒共渗后覆层X射线衍射图谱

图3 稀土铬钒共渗后覆层X射线衍射图谱

由图2、3可知:Cr12模具钢经铬钒共渗、稀土铬钒共渗后，渗层物相均主要由VC、Cr23C6、Cr7C3等相组成。与铬钒共渗(图2)所得覆层各个物相对应峰值强度相比，稀土铬钒共渗覆层(图3)各物相峰值强度明显提高，表明稀土元素在共渗中有明显催渗作用，使得扩散到覆层中的铬钒含量增加，从而提高形成碳化物含量。

图4为Cr12模具钢在940℃ ×4 h的条件下经TD盐浴处理后所得覆层在扫描电镜(SEM)放大2 000倍下的照片。

图4 覆层组织SEM照片(2000×)

从图4可以看出:Cr12模具钢在铬钒共渗(图4(a))、稀土铬钒共渗(图4(b))中所形成的覆层厚度均匀，与基体形成了一个过渡性良好的平坦界面，结合紧密，且所得覆层的致密性良好。Cr12模具钢经稀土铬钒共渗(图4(b))后，渗层组织结构更加紧密，表面更趋于平坦且碳化物分布更加均匀，从而使得表面显微硬度值显著提高(2 120 HV0.05)。此外，对比图中渗层与基体组织可看出:在金相制备中使用4%的硝酸酒精对组织进行浸蚀，图中基体部分腐蚀较覆层严重，基体部分出现少量腐蚀坑，覆层却仍是致密均匀的一体，只有部分碳化物经腐蚀后呈现灰暗色。由此可知，所得覆层抗硝酸腐蚀性明显高于基材。

3 结论

本文以Cr12冷作模具钢为基体材料，对基材分别进行铬钒共渗和稀土铬钒共渗，在温度为940℃的条件下通过TD处理4 h后得到共渗层，进行了显微组织研究，通过实验分析得出以下结论:

1)Cr12冷作模具钢通过TD处理形成了具有一定厚度的均匀致密的覆层，覆层与基体间形成了一个呈冶金结合状态的清晰平坦界面。

2)稀土元素在TD处理过程中有催渗促渗的作用。

3)在940℃×4 h条件下，铬钒共渗所得覆层厚度为3.5 μm，硬度为1 733 HV0.05，稀土铬钒共渗所得覆层厚度达到5.4 μm，硬度为2 120 HV0.05。

4)共渗层物相主要由VC、Cr23C6、Cr7C3等相构成。

［1］Arai Tohru，Mizutani Massayoshi，Komatsu Noboru.Diffusion Layers of Steel Surfaces Immersed in Fused Borax Baths Containing Various Kinds of Additives［J］.Journal of the Japan Institute of Metals，1975，39(3):247-255.

［2］Fan X F，Yang Z G，Zhang C，et al.Evaluation of vanadium carbide coatings on AISI H13 obtained by thermo-reactive deposition/diffusion technique［J］.Suiface and Coatings Technology，2010，205(2):641-646.

［3］Fan X S，Yang Z G，Zhang C，et al.Thermo-reactive deposition processed vanadium carbide coating:growth kinetics model and diffusion mechanism［J］.Suiface and Coatings Technology，2012，208:80-86.

［4］Dejun Kong，Chaozheng Zhou.The surface and interface properties of vanadium carbide coating prepared by thermal diffusion process［J］.Journal of Advanced Manufacturing Systems，2011，10(1):183-190.

［5］Aghaie-Khafri M，Fazlalipour F.Vanadium carbide coatings on die steel deposited by the thermo-reactive diffusion technique［J］.Journal of Physics and Chemistry of Solids，2008，69(10):2465-2470.

［6］周朝政，孔德军，袁锋等.冷作模具钢表面TD处理强化技术［J］.模具工业，2010，36(4):63-66.

［7］黄拿灿，胡社军.稀土化学热处理与稀土材料表面改性［J］.稀土，2003，24(3):59-63.

［8］张金柱，杨宗伦，魏可媛.稀土元素在化学热处理中的催渗和扩散机理研［J］.材料导报，2006(20):223-225.

［9］Yuan Z X，Yu Z S，Tan P，et al.Effect o f rare earth on the carburization of steel［J］.Mater Sci Eng，1999，A267:162.

［10］江永宏.稀土矿物的综合利用和化学性能［J］.矿产与地质，2013，27(1):1-7.

［11］石延平，张永忠，刘成文.以稀土合金材料为驱动器的高速开关阀的研究与设计［J］.南京理工大学学报:自然科学版，2004，28(4):385-389.

［12］江静华，蒋建清，马爱斌，等.稀土化学热处理及其发展现状［J］.中国表面工程，2003，16(5):10-15.

［13］胡正前，张文华.稀土对复合表面处理H13钢耐磨性和高温抗氧化性的影响［J］.中国稀土学报，1999，17(3):280-283.

［14］刘奇，陈德茂，刘庆宾，等.稀土复合催化剂对柴油车尾气净化效果的影响研究［J］.功能材料，2012(S2):286-289.

［15］邹兴，卢惠民，方克明.变价稀土氧化物对催化剂性能的影响［J］.稀土，2000，21(2):17-19.