碳氮质点对氮合金化硬面钢材料与CrN膜结合性能的影响机理

One of the most effective routes to increase the service time of hot working mold steel is to enhance the surface performances. Using surface compound enhance method (welded hard-facing alloyed steel coated by Arc Ion Plated CrN) on local hot spots, where severe fatigue and wear take place, is a promising way to increase the high temperature strength, ductility as well as wear and fatigue resistances of mold working surface. In order to taking full advantages of the two combined strengthen layers, the critical factor is to improve the mutual adhesion properties. On one hand, by optimizing the alloying elements and adjusting the content of C and N, it is possible to control the geometric size, dispersive density and chemical composition of the C-N alloying compounds, and improve the hot-working mechanical properties of the alloying steel. On the other hand, it is necessary to investigate the micro-structure and calculate the fracture toughness of the interface between CrN coating and substrate with dispersive C-N alloying compounds, in order to definite the adhesion mechanism and evaluate the adhesion property between the two. Finally, this research is going to use the inclined impact-sliding test method for simulating the stress field under the real working condition to study the failure mechanism of the coating and make prediction of the lifetime.

提高工作表面的使用性能是提高热作模具使用寿命的重要途径。在某些出现严重疲劳，摩擦的模具表面上进行堆焊硬质合金钢和多弧离子镀膜复合强化的方法，可以有效提高工作表面的高温强度、韧度和耐摩擦、疲劳性能。为了使两种强化方法都能充分发挥各自的优势，提高两个强化层之间的结合性能最为关键。该研究一方面通过合金成分优化、调整碳氮成分，并结合热力学平衡计算，达到控制合金钢内部碳氮硬质点的尺寸、分布的目的，从而提高合金钢基体的高温力学性能。另一方面通过研究镀膜-合金钢界面微观组织结构和计算界面断裂韧性，明确非均匀成分的基体表面与镀膜之间的微观结合机制，评估结合性能。另外，通过并对膜-基系统进行模拟真实受力情况下的损伤试验，对复合强化系统的使用寿命进行预测。

本项目针对大型热作模具钢材料在使用过程中容易受到热疲劳和热磨损导致模具失效的问题，采用电弧熔丝堆焊的方法对受损模具进行修复，并对局部极易受损部位进行镀膜强化，使模具工作表面达到等寿命。本项目通过添加氮化铬铁粉末的形式在焊丝合金粉末中加入了0.3wt.%的N元素，分别采用气保护焊和埋弧焊两种方式进行堆焊，在堆焊过程中未出现集中的氮气孔和裂纹。焊态下熔敷金属主要由板条马氏体和参与奥氏体组织组成。经过2小时560-620℃在氮气环境中的回火热处理，熔敷金属硬度先随着回火温度的升高而缓慢降低，当回火温度超过600℃后，硬度急剧降低。在560-600℃回火过程中，熔敷金属同时存在两种转变，一是残余奥氏体转变为马氏体，使得熔敷金属硬度升高，二是马氏体转变为回火托氏体，导致熔敷金属硬度降低，在两种转变的共同影响下导致熔敷金属硬度基本保持不变。另外，相同热处理条件下，埋弧焊熔敷金属比气保护焊熔敷金属硬度要低一些，这是由于埋弧焊热输入大且降温速度慢，从而导致晶粒粗化硬度降低。另外，另外，两种熔敷金属在回火后都析出了大量的碳氮化物硬质质点。其中埋弧焊熔敷金属析出硬质质点数目较多，尺寸较大，且沿着原奥氏体晶界析出现象明显。最后，采用多弧离子镀的方式在熔敷金属表面镀上一层CrN镀层，厚度为3 μm。拉拔实验表面镀层和基体的结合力在7 MPa-17 MPa之间，这主要是由于熔敷金属和镀层存在局部结合不良所造成结合力差异。该镀层能显著提高熔敷金属的耐磨损性能，但冲击-滑移测试表明，基体的硬度和表面硬质质点的微观形貌以及膜基结合强度很大程度上影响了镀膜的耐冲击性能。.本项目通过采用堆焊和多弧离子镀相结合的方式对热作模具钢工作表面进行了复合强化，由于本项目修复的模具为一整体，且尺寸较大，无法在其上进行多弧离子镀，只能采用小样品镀膜并进行实验室研究。但本项目的开展对提高热作模具及其他种类模具的使用性能和使用寿命预测提供了技术指导和科学依据，具有较高的研究价值。