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乐聚棋牌手机版马氏体不锈钢表面强化技术基础

时间:2019-09-07 00:52 来源:未知 作者:乐聚棋牌

  马氏体不锈钢表面强化技术基础_材料科学_工程科技_专业资料。基于不锈钢刀剪产品质量调控的 纳米表面工程技术集成与研发 匡同春 加油 教授 华南理工大学材料科学与工程学院 华南理工大学材料表面工程与薄膜技术创新研发中心 中山市材料表面科技公共服务平台 20

  基于不锈钢刀剪产品质量调控的 纳米表面工程技术集成与研发 匡同春 加油 教授 华南理工大学材料科学与工程学院 华南理工大学材料表面工程与薄膜技术创新研发中心 中山市材料表面科技公共服务平台 2016年11月25日 报告提纲 ? 不锈钢刀剪产品质量概况 ? 质量调控的新技术与研发现状 ? 纳米表面工程技术解决方案 ? 前期研发工作 报告提纲 ? 不锈钢刀剪产品质量概况 ? 质量调控的新技术与研发现状 ? 纳米表面工程技术解决方案 ? 前期研发工作 不锈钢刀剪产品质量概况 ? 质量(Quality)的定义: 一组固有特性(Characteristic)满足要求(requirement) 的程度。 ? 质量控制的定义: 质量管理的一部分,致力于满足质量要求。 ? 纳米表面工程: 以纳米材料和其它低维非平衡材料为基础,通过特 定的加工技术、加工手段,对固体表面进行强化、改性、 超精细加工或赋予表面新功能的系统工程。 【2000年徐滨士院士等人提出】 4 不锈钢刀剪产品质量概况 ? 纳米表面工程的实质: 通过纳米技术大幅度提升表面性能的系统工程。 ? 纳米表面工程的内涵: 1)材料表面的纳米化改造与纳米结构组装; 2)纳米超光滑表面的加工; 3)纳米尺度超微细图形的加工。 ? 纳米表面工程的优越性: 1)赋予表面新的服役性能(效能); 2)使零件设计时的选材发生重要变化; 3)为表面技术的复合提供新途径。 5 不锈钢刀剪产品质量概况 ? 我国年产粗钢超8亿吨,却造不好生产圆珠笔笔珠的易切削不锈钢; ? 我国有上千年菜刀锻造历史,高端菜刀市场却被外国品牌占据。 ? 笔珠和菜刀,“一文一武”,两类物品向钢铁大国提出了沉重的命题。 中国材料人之殇! ? 中科院卢柯院士:我国材料领域学术论文高居世界第一,但从高铁 的关键材料到日用的切菜刀都大量依赖进口。 ? 出路:鼓励全民创业、自主创新; 培育精益求精的工匠精神; 增品种、提品质、创品牌; ? 思考:材料科学与工程学科的四要素 — 成分/结构、制备/加工、性质和效能 6 不锈钢刀剪产品质量概况 高端刀剪产品质量要求: 关键要素:1)产品设计;2)材料品质;3)工艺技术;4)性质效能 ? 产品设计:人体力学、切削习惯、外观美学、花纹样式等 ? 材料品质:钢的成分调控、洁净度(超低杂质)、铸坯质量、显微组织等 ? 工艺技术:热锻/热轧、冷轧/拉拔/冷镦、热处理、表面强化、机械加工等 ? 性质效能: 硬度、强度、塑性、韧性、抗疲劳性、耐磨性、耐蚀性、锋利度、耐用 度、热强性、耐热性、热加工性能、冷加工性能、可焊性、易切削性、可涂 覆性、磁性等 ? 通常来说,刀剪产品主要性能指标中存在的凸出矛盾有: (1)硬度(耐磨性)与韧性(强度) — 组织纳米化可调和! (2)硬度(耐磨性)与耐腐蚀性 — 表面涂层技术可调和! 7 不锈钢刀剪产品质量概况 锋利度和持久度 刀的锋利度和持久度,材料和工艺的影响是决定性的。日系刀占优! 硬度最关键,硬度越高,刀越锋利,持久度越好,但同时韧性低,易 损坏,且防锈性能差,维护难度大。 硬度、韧性、防锈性能是此消彼长关系。 ? 一般厨刀用钢的洛氏硬度在55-65 HRC之间 日本刀硬度大,在60-62 HRC; 德国刀硬度略低,在55-58 HRC; 中式刀硬度最低,50 HRC左右。?为表面强化技术应用提供空间! 氧化锆陶瓷刀的硬度最高,不在HRC测定范围内。HRC达84以上。 ? 锋利度取决于刀刃硬度、晶粒度、几何角度。 日本刀开锋角度在15度,德国刀在20度(17度)。 8 不锈钢刀剪产品质量概况 菜刀制作流程: 选料、切割、锻造、淬火热处理、研磨抛光、平衡点定位、刀柄配 制、开刃、开锋等40道生产工序,每一工序均需严格的质量把控。 共性/核心技术: 1)选料:C、Cr、Mo、V、Co、Si、Mn、S、P,“合金化” 2)锻造:“千锤百炼”,碳化物碎化、成分均匀化、组织超细化 3)热处理:淬火-回火-(深)冷处理工艺优化 4)磨削:刃口表面自纳米化 5)刃口强韧化处理:表层自纳米化、激光强化处理、渗/涂层技术 9 不锈钢刀剪产品质量概况 ? 国内菜刀品牌:(Ref: 2015/2016菜刀十大品牌排行榜) 广东:十八子作(1983年)、巧媳妇(1996年)、银鹰 (1979年)、永光(1956年)…… 浙江:张小泉(1663年)、苏泊尔 (1994年)、爱仕达 (1978年)、楼龙(1992年)…… 北京:王麻子(1651年)…… 福建:永德利(1735年)…… ? 国外菜刀品牌: 德国:双立人(1731年)、菲仕乐(1845年)、福腾堡、三叉…… 日本:旬刀、KYOCERA京瓷(1959年)…… 瑞士/瑞典 …… 10 不锈钢刀剪产品质量概况 菜刀用典型材质: 国内:主要采用3Cr13(420)、4Cr13、5Cr15MoV等马氏体不锈钢 德国:主要采用1.4116、 X50CrMoV15等马氏体不锈钢 日本:主要采用VG-10不锈钢材或青纸钢 11 不锈钢刀剪产品质量概况 中国四大刀具之都:浙江杭州、重庆大足、山东临沂、 广东阳江。 阳江十八子作为阳江刀具产业龙头,全市从事日用五金 刀剪生产和出口的企业有1500多家,市值500多亿,企业 90%依赖出口欧美市场。 面临的共性问题: 1)钢号新品种较少、冶金质量尚待提高;— 国家层面 2)刀剪行业/企业缺少战略性自主知识产权和核心技术;— 企业层面 3)基于调和关键性能指标矛盾的创新技术研发和储备尚不够。— 行业 12 报告提纲 ? 不锈钢刀剪产品质量概况 ? 质量调控的新技术与研发现状 ? 纳米表面工程技术解决方案 ? 前期研发工作 质量调控的新技术与研发现状 1、刀剪产品优质钢号冶炼技术 十八子作:已使用7Cr17Mo、6Cr18Mo、9Cr18Mo等; 邓家刀:已使用9Cr15MoV9。 宝钢:9Cr18MoV,一种硬度和耐腐蚀性俱佳的控氮高强度不锈钢。 姚迪,李晶,李积回,朱勤天. 高碳不锈钢刀剪材料轧制过程中的碳化物[J]. 材料热处理学报, 2014, 35(11):129-133. 姚迪,李晶,李积回. 7Cr17MoV不锈钢刀剪材料塑性变形的组织与性能[J]. 金属热处理, 2014, 39(2):39-42. 尹燕,刘钊,孙鹏,张瑞华,李积回. 高端刀具异种钢A-TIG焊焊接性[J]. 焊接学报, 2014, 35(11):35-38. 王紫阳,倪红卫,陈荣生,詹玮婷,张超,李有维,李积回. Ag/N离子复合注入刀具不锈钢(AISI420)的表 面性能研究[J]. 材料导报, 2014, 28(s1):383-385. 王亮亮,李晶,周文,李积回. Mg对刀剪用钢中夹杂物影响的试验研究[J].南方金属, 2012,(3):1-3. 周文,李晶,王亮亮,李积回. 刀剪材料9Cr14Mo电渣锭尾夹杂物的分析[J]. 材料与冶金学 报,2011,10(s1):100-102. 14 质量调控的新技术与研发现状 2、刀剪产品先进热处理技术 马氏体不锈钢是一类可以通过热处理(淬火、回火)对其性能进 行调整的不锈钢,即是一类可硬化的不锈钢。淬火后硬度较高,不同 回火温度具有不同强韧性组合。 深冷处理是一种热处理工序,即在淬火完成后将刀放入液氮中冷 却到零下一百多度,将淬火中未转化的奥氏体继续转化为马氏体,效 果是成倍提高了刀的耐磨性和保持性,减少了内应力。 5Cr15MoV钢的热处理:采用1060℃加热淬火能获得最高硬度值, 在500℃左右回火,该钢呈现出二次硬化现象。 思考:淬火-回火温度?(偏高/偏低)、深冷处理?残余奥氏体调控? 15 质量调控的新技术与研发现状 姚迪. 刀剪用高碳马氏体不锈钢生产过程组织演变行为研究[D]. 北京科技 大学,2016. 纪显彬,李具仓,王建泽,钱张信. Cr13马氏体不锈钢热处理后的显微组织和 硬度[J]. 金属热处理,2016,41(6):93-96. 鲁思渊,陈蕴博,姚可夫,等. 不同工艺下马氏体不锈钢组织演变及其对表面 光洁度和耐蚀性的影响[J]. 材料热处理学报,2015,36(s1):223-229. 黄少波,盛洁,袁甜,等. 热处理工艺对7Cr17MoV马氏体不锈钢组织性能的 影响[J]. 热加工工艺,2015,44(24):192-196. 相黎阳. 4Cr13型耐蚀塑料模具钢模块的组织和性能研究[D]. 昆明理工大 学,2015. 王飞. 氮含量对4Cr13耐蚀塑料模具钢组织和性能影响的实验研究[D]. 东 北大学,2014. 张喆. 热处理工艺对4Cr13马氏体不锈钢组织与性能的影响研究[D]. 东北 大学,2013. 16 质量调控的新技术与研发现状 吴建军. 1Cr17不锈钢表面纳米化组织结构及性能研究[D]. 山东建筑大学, 2013. 王金甲,杜晓东,高振. 4Cr13、7Cr17Mo马氏体不锈钢组织和性能比较[J]. 合肥工业大学学报:自然科学版, 2012, 35(9):1172-1175. 李远睿,邓丽萍,辉志强,王书珍. 锋利度持久刀剪用4Cr10Si2马氏体不锈钢 的研制[J]. 重庆大学学报:自然科学版,2011,34(1):72-76. 白鹤,王伯健,沈志军,王平怀. 热处理对含钼2Cr13马氏体不锈钢组织与性 能的影响[J]. 金属热处理,2010,35(3):71-75. 李明珠,赵云龙. 提高2Cr13马氏体不锈钢疲劳强度的工艺研究[J]. 热加工 工艺, 2010,39(12):171-172. 邓凡宇,马党参,刘建华,等. 热处理工艺对新型刀具用马氏体不锈钢 6Cr15Mo组织和性能的影响[J]. 特殊钢,2010,31(6):53-55. 17 质量调控的新技术与研发现状 3、刀剪产品刃口磨削表层纳米化技术 中科院卢柯院士、法国国家技术科学院吕坚院士: 1998年在国际上首次提出了“金属材料的表面纳米化” 概念,即对金属材料的表面进行处理使其表面层中组织结 构细化至纳米尺度,利用具有优异性能的纳米结构表面层 提高整体材料的性能。 发明了实现表面纳米化的新技术 — 表面机械研磨处理 (Surface mechanical attrition treatment,SMAT) 发表学术论文77篇、国家发明专利5项、国际专利3项。 18 质量调控的新技术与研发现状 游凯,宋丹,程兆俊,等. 金属材料表面纳米化研究现状[J]. 热加工工艺, 2016, 45(4):15-18. 黄海威,王镇波,刘莉,雍兴平,卢柯. 马氏体不锈钢上梯度纳米结构表层 的形成及其对电化学腐蚀行为的影响[J]. 金属学报,2015,51(5):513-518. 何家文.追溯历史评表面形变纳米化[J].中国表面工程, 2014, 27(5):1-13. 李东,裴广玉. 金属材料表面纳米化机制研究现状[J]. 材料导报, 2013, 27(s2):5-8. …… 已研究过的金属材料:纯铝、纯铜、纯钛、纯铁、304不锈钢、 316不锈钢、H13、GCr15、……等等。 19 质量调控的新技术与研发现状 喷丸影响钢件性能的重要因素是:残余应力、表层强度及粗糙度。 超声喷丸或高强度喷丸产生纳米化的同时,也使粗糙度提高。 表面形变强化提高抗磨性的典型零件是滚动轴承。常用的强化方法是 滚压,在高载进行短时滚压强化后,在低载长期服役。 钢铁表面自纳米化的主要机制:大塑性变形诱发晶粒碎化和应变诱导 相变。 刀剪产品刃口:借助可控磨削工艺实现表层纳米化?? 马素媛,陈瑞,王东林,等. 低碳马氏体不锈钢0Cr13Ni4Mo磨削表层屈服 强度的研究[J]. 机械工程学报,2005,41(6):25-29. 马素媛. 金属材料磨削影响层硬化软化的表征与研究[D]. 中国科学院金 属研究所,2004. 20 质量调控的新技术与研发现状 4、刀剪产品刃口激光表面强化处理技术 (1)激光熔覆处理 居毅,叶秉良,郭绍义,姚建华. 3Cr13厨刀表面激光熔覆处理的组织性能研究[J]. 浙江工程学院学报, 2002, 19(2):106-108. 姚建华,熊缨,陈智君,孙东跃. 不锈钢刀具刃口激光强化工艺设计与应用[J]. 应 用激光, 2002, 22(3):293-296. 姚建华,徐柠,张群莉.一种金属表面激光强化涂层的制备方法101812684 A 浙江工业大学:1)表面光滑,结合良好;2)处理层表面硬度达1000 HV以上,耐磨性比未处理试样提高25倍;3)在处理层与基体之间存在一 个回火区,有利于保持刃口的韧性。 阳江市五金刀剪产业技术研究院:激光熔覆技术 — 在普通刀刃上利用 激光技术熔覆一层薄薄的特殊的金属粉末,从而提高刀刃的硬度和耐磨度。 21 质量调控的新技术与研发现状 (2)激光喷丸/激光冲击强化 (LSP) 激光喷丸强化(Laser Shot Peening, LSP)是利用短脉冲(ns级)的强激光(GW/cm2 级)对金属零件表面进行辐照,在零件表面诱导高幅冲击波,使金属表层材 料发生冷塑性强化的一项新技术,它是利用激光冲击波的力学效应对材料 进行无屑加工的。 激光冲击强化(Laser Shock Processing, LSP)是一种新型的表面强化技术,可以 有效的使金属表层产生塑性变形,明显细化金属材料表层晶粒,在金属表 面形成较深的残余压应力层,广泛应用于合金和金属材料的表面改性上。 均是通过在材料表层引入残余压应力来提高构件疲劳寿命的技术,同 时其还可以细化材料表层晶粒大小以及影响材料内的位错密度,可提高零 件机械强度以及耐磨性、抗疲劳和耐腐蚀性等。 石来民. 激光喷丸处理304不锈钢板应力腐蚀试验研究[D].浙江工业大学,2015. 钟金杉. 激光冲击强化304不锈钢拉伸性能及磨损行为研究[D]. 江苏大学,2013. 罗开玉. 激光冲击不锈钢抗腐蚀性能及微观强化机理研究 [D]. 江苏大学,2012. 22 质量调控的新技术与研发现状 (3)激光淬火+表面氮化复合处理 分别用激光淬火-表面氮化、表面氮化-激光淬火复合处理工艺 方案对4Cr13钢试样进行表面强化处理,分析激光淬火与表面氮化 的不同组合对材料表面硬化层硬度分布和硬化层深度的影响。结果 表明,采用表面氮化-激光淬火复合处理可满足试样表面强化处理 的要求。 吴健. 激光淬火+表面氮化复合处理方案的选择[J]. 热加工工艺,2007,36(14):50-52. 23 质量调控的新技术与研发现状 5、刀剪产品低压低温等离子体渗氮技术 1)离子/等离子体渗氮 李成涛,赵彦芬,方可伟,等. 离子渗氮马氏体不锈钢的微观组织与腐蚀行为[J]. 材料 热处理学报,2016,37(6):210-214. 刘爽,由园,李莉,等. 430钢离子渗氮层中N和Cr行为的第一原理计算[J]. 热处理技 术与装备,2015,36(5):20-23. 童幸生,叶威,王晨. 气体比例对1Cr13马氏体不锈钢离子渗氮层性能的影响[J]. 江 汉大学学报(自然科学版),2015,43(3):221-225. 钟华. 离子氮化2Cr13不锈钢变载荷条件下摩擦磨损行为研究[D]. 燕山大学,2014. 杜威. 马氏体不锈钢低温离子硬化处理的研究[D]. 青岛科技大学,2014. 杜威,赵程. 低温离子硬化处理对AISI 420不锈钢组织与性能的影响[J]. 金属热处 理, 2014,39(7):116-120. 闫姝. 2Cr13钢等离子体低温渗氮层组织与性能研究[D]. 哈尔滨工业大学,2012. 24 质量调控的新技术与研发现状 黄得猛. 等离子体低温渗氮调幅分解组织纳米化与深层扩散研究[D]. 哈尔滨工业 大学,2012. 刘瑞良,闫牧夫,乔英杰. 马氏体不锈钢低温表面改性技术研究进展[J]. 金属热处 理, 2012,37(9):1-7. 陈琳. 等离子体源渗氮AISI 420马氏体不锈钢的耐磨抗蚀性能研究[D]. 大连理工 大学, 2012. 李新蕾. 离子氮化2Cr13不锈钢真空摩擦磨损行为研究[D]. 哈尔滨工业大学,2010. 崔荣星,李美玉,王海飞. 离子渗氮对2Cr13不锈钢磨损及冲蚀行为的影响[J]. 热处 理,2009,24(3):55-57. 奚运涛,刘道新,韩栋,韩增福. 离子渗氮AISI 420马氏体不锈钢耐蚀行为研究[J]. 材料热处理学报,2007,28(5):109-114. Xi Y T, Liu D X, Han D. Improvement of erosion and erosion-corrosion resistance of AISI420 stainless steel by low temperature plasma nitriding [J]. Applied Surface Science, 2007, 254(18):5953-5958. 25 质量调控的新技术与研发现状 2)离子注入 刘峰斌,李景林,金杰,等. 氮离子注入9Cr18Mo不锈钢的表面结构与力 学性能[J]. 稀有金属材料与工程, 2013,42(9):1838-1843. 邰军凯,倪红卫,陈荣生,等. 氮离子注入的刀具不锈钢表面性能及微观 结构[J]. 材料导报,2012,26(16):113-116. 张磊. 等离子体基低能氮离子注入AISI 420马氏体不锈钢的工艺研究 [D]. 大连理工大学,2012. 雷明凯,王克胜,欧伊翔,张磊. 泵阀用2Cr13马氏体不锈钢等离子体基 低能氮离子注入研究[J]. 金属学报,2011,47(12):1490-1494. 3)其它方法 申航航. 4Cr13、8Cr17不锈钢表面等离子渗锆层组织及性能研究[D]. 太原理 工大学,2016. 成瑜. 不锈钢手术刀(剪)刃口强化技术研究[D]. 东华大学,2016. 26 质量调控的新技术与研发现状 6、刀剪产品表面物理气相沉积技术(PVD) 主要的PVD技术:电弧离子镀、磁控溅射镀、组合技术 主要膜层体系:TiN、ZrN、CrN、TiAlN、CrAlN、TiCN、 DLC、MoS2、…… 避免“鸡蛋壳”效应! 沉积温度不能损伤基体力学性能、耐腐蚀性能! 高附着性! 毛羽宏.剃须刀片刃口上镀类金刚石膜的实验研究[D].东北大学,2008. 杨德威. 剃须刀锋刃沉积金刚石薄膜的研究[D]. 河南工业大学,2013. 27 质量调控的新技术与研发现状 7、刀剪产品低压低温PN-PVD复合技术 在PN-PVD复合处理的研究初期,在膜基结合强度上曾出现过 两种不同的结果。有的表明等离子体渗氮提高了结合强度,有的则 表明预渗氮使得膜与基体的结合变差[1,2]。 渗氮层组织的调控、避免化合物层! 渗氮层与PVD涂层的结构匹配、物性匹配! 一直是PN-PVD复合处理研究的焦点问题。 [1] Randawa, P C Johnson. Adhesion of TiN Coatings on High Speed Steels [J]. Surface and Coatings Technology, 1987, 31:303-318. [2] J D Haen, C Quaeyhagens J. An interface study of various PVD TiN coatings on plasmanitrided austenitic stainless steel AISI304 [J]. Surface and Coatings Technology, 1993, 60:468473. 28 质量调控的新技术与研发现状 29 质量调控的新技术与研发现状 离子渗氮层的典型金相组织:只有扩散层;薄扩散层+白亮层。 纯扩散层主要用于不能增加脆性的模具钢、耐磨合金等工件,用 于不锈钢可使其耐蚀性降低的程度最小。 白亮层是指渗氮工件表层的ξ相(Fe2N)、ε相(Fe3N)和γ’(Fe4N)相或其中 的一相或两相所组成的化合物层,又称为化合物层。 ?γ’相化合物韧性较好,强度较高,单相的γ’化合物组织主要用于承受较 大动载荷又要求耐磨的工件。 ? ξ相和ε相化合物耐磨、耐蚀性好,但脆性大,主要用于耐磨耐蚀工件。 30 质量调控的新技术与研发现状 黑色层是由连续铁氮化物 Fe4N 和 Fe2-3N 脱氮分解,转变为铁 素体(?-Fe) 。黑色层硬度较低,仅400~500HV。黑色层的出现会降低 复合涂层的承载和抗摩擦能力。 黑色层的生成条件: ? 沉积涂层温度超过 500℃; ? 氮化表面存在亚稳态氮化物 。 黑色层的抑制措施: ? PVD 温度降至 400-450℃以下,则??和?不分解; ? 在渗氮过程中避免形成化合物层,或在镀膜前,去除化合物层; ? 提高钢的Cr含量,Cr与N结合生成的 CrN 较 Fe4N 和 Fe2-3N 稳定; ? 采取适当措施在试样表面形成阻挡层,阻止氮的扩散。 31 报告提纲 ? 不锈钢刀剪产品质量概况 ? 质量调控的新技术与研发现状 ? 纳米表面工程技术解决方案 ? 前期研发工作 等离子体渗氮技术进展_周院士多功能硬质膜设备 APA-ARC HIPAC Duplex Module Domino mini PVD系统 33 Domino mini PVD系统 HIPAC APA-ARC AEGD & PN 34 AEGD刻蚀与等离子渗氮(PN) AEGD-电弧增强辉光放电技术: 气体 ( 如 Ar 、 Ar-N2 等 ) 离化 率极高,用于基体表面等离子 清洗、刻蚀,保证了优异的涂 层结合力;用于 等离子渗氮处 理 时,提高了渗氮速率、降低 渗氮温度,获得成分和结构可 调控的渗氮层。 35 先进等离子辅助电弧技术(APA-ARC) APA-ARC-先进等离子辅助电 弧技术: 改进的磁场系统,其优点 是电弧运动速度更快 、蒸发 的粒子尺寸更小 、液滴更少 、蒸发效率更高 、靶材利用 率更高,进一步提高了涂层 的附着力和力学性能 、涂层 表面更光滑。 36 纳米表面工程技术解决方案 跟踪研发思路: (1)参考国外优质钢材,研制添加稀土的新钢号; (2)锻造技术与设备更新,成分和组织均匀性可控; (3)热处理技术与装备优化,组织与性能可调控。 实现:产品质量接近国际先进,价格差缩小。 创新研发思路: (1)精炼优质钢材,升级锻造技术与设备; (2)热处理技术与装备升级,组织与性能可调控; (3)研发自纳米化-等离子渗氮或PN-PVD复合技术。 实现:产品质量国际一流,价格接近。 37 报告提纲 ? 不锈钢刀剪产品质量概况 ? 质量调控的新技术与研发现状 ? 纳米表面工程技术解决方案 ? 前期研发工作 前期研发工作- 等离子体渗氮技术研发 采用低压高密度等离子体的电弧辅助等离子渗氮技术,基于对渗氮气 氛的调控,可控制备无白亮层的渗氮层,渗氮速率可达20μm/h。 图1 H13钢不同氮氢流量渗氮横截面光学照片 (a)N2:H2=50:25;(b)N2:H2=38:38;(c)N2:H2=25:50 39 前期研发工作- 等离子体渗氮技术研发 图4 渗氮层中氮浓度分布曲线 渗氮层的硬度分布曲线 前期研发工作- 等离子体渗氮技术研发 图7渗氮的脆性级别图 (a)N2:H2=50:25;(b)N2:H2=38:38;(c)N2:H2=25:50 参考标准:GB/T 11354-2005 钢铁零件 渗氮层深度测定和金相组织检验 41 前期研发工作- 新涂层工艺研发 YG10X基体 AEGD 良 好 的 涂 层 表 面 形 貌 DCMS-WN涂层 HiPIMS-WN涂层 42 前期研发工作- 新涂层工艺研发 DCMS-WN涂层 HiPIMS-WN涂层 优 异 的 膜 基 结 合 力 DCMS-WN涂层 HiPIMS-WN涂层 43 前期研发工作- 新涂层工艺研发 摩擦系数:0.38 优 异 的 摩 擦 学 性 能 44 前期研发工作- PN-PVD复合处理研究 工艺 A B C D 样品 A B C Tem. /℃ 500 500 500 离子渗氮 P N2:H2 /Pa / sccm 1.0 1.0 1.0 膜基体系 AlTiN-H13 PN/AlTiN-H13 PN/AlTiN-H13 50:25 38:38 25:50 Time /min 120 120 120 PVD镀AlTiN涂层 Tem. P Time /Pa /min /℃ 500 8.5 120 500 500 500 8.5 8.5 8.5 120 120 120 白亮层厚度 / ?m — 0.8-1.0 1.5-2.0 扩散层厚度 / ?m — 20-25 30-35 D PN/AlTiN-H13 0.0-0.3 40-45 45 H13钢…….AlTiN涂层厚度6.7?m 前期研发工作- PN-PVD复合处理研究 (a)Sample A (d)Sample D 图1 H13钢上不同的PN-PVD复合涂层表面形貌 (a) AlTiN; (b) PN/AlTiN-0.8; (c) PN/AlTiN-1.5; (d) PN/AlTiN-0 46 前期研发工作- PN-PVD复合处理研究 镀膜前 镀膜后 图2 H13钢上PVD沉积AlTiN涂层前后的表面粗糙度(Ra值) a-抛光基体;b-N2:H2=50:25渗氮; c-N2:H2=50:25渗氮;d-N2:H2=25:50渗氮 A-AlTiN涂层; B-PN/AlTiN-0.8复合涂层;C-PN/AlTiN-1.5复合涂层;D- PN/AlTiN-0复合涂层 47 前期研发工作- PN-PVD复合处理研究 图3 H13钢PN-PVD复合处理后横截面的金相组织和SEM形貌 A-AlTiN涂层;B-PN/AlTiN-0.8复合涂层;C-PN/AlTiN-1.5复合涂层;D- PN/AlTiN-0复合涂层 48 前期研发工作- PN-PVD复合处理研究 Main Elements Nitrogen Element 图4 H13钢PN-PVD复合处理后横截面主要元素的深度分布(Ti、Al、N) (a)AlTiN涂层;(b)PN/AlTiN-0.8复合涂层;(c)PN/AlTiN-1.5复合涂层;(d)PN/AlTiN-0复合涂层 49 前期研发工作- PN-PVD复合处理研究 图5 H13钢上PN-PVD复合涂层表面的典型能谱分析结果 图6 H13钢上PN-PVD复合涂层广角XRD谱图(左)和掠入射XRD谱图(右) 50 前期研发工作- PN-PVD复合处理研究 图7 H13钢上PN-PVD复合涂层洛氏C压痕形貌 (a)AlTiN涂层; (b)PN/AlTiN-0.8复合涂层; (c)PN/AlTiN-1.5复合涂层; (d)PN/AlTiN-0复合涂层 51 前期研发工作- PN-PVD复合处理研究 scratch direction scratch direction LC2 LC2 (a) Sample A scratch direction (b) Sample B scratch direction LC2 (c) Sample C LC2 (d) Sample D 图8 H13钢上PN-PVD复合涂层的划痕形貌及结合力评定 (a)AlTiN涂层;(b)PN/AlTiN-0.8复合涂层;(c)PN/AlTiN-1.5复合涂层;(d)PN/AlTiN-0复合涂层 52 前期研发工作- PN-PVD复合处理研究 图9 H13钢上PN-PVD复合涂层表面显微硬度(左)和摩擦系数(右)测定结果 (a)AlTiN涂层;(b)PN/AlTiN-0.8复合涂层;(c)PN/AlTiN-1.5复合涂层;(d)PN/AlTiN-0复合涂层 53 H13钢表面PN-PVD复合处理研究 元素 A 样 磨 痕 中 间 Al 27.47 22.61 21.59 Ti 43.05 35.70 33.21 N 24.14 20.48 16.49 O 3.64 16.54 23.38 Si 0.04 0.39 1.05 边 缘 中 间 B 样 磨 痕 C 样 磨 痕 D 样 磨 痕 边 缘 中 间 边 缘 中 间 边 缘 21.02 20.67 32.47 33.14 15.18 15.40 25.90 25.76 1.05 1.16 22.26 20.86 22.64 35.61 33.29 36.37 19.62 15.93 20.97 17.93 23.96 14.18 0.53 1.02 0.39 图10 H13钢上PN-PVD复合涂层表面磨痕形貌及其微区成分结果 (a)AlTiN涂层;(b)PN/AlTiN-0.8复合涂层;(c)PN/AlTiN-1.5复合涂层;(d)PN/AlTiN-0复合涂层 54 前期研发工作- PN-PVD复合处理研究 图11 H13钢上PN-PVD复合涂层磨痕横截面轮廓图 A-AlTiN涂层;B-PN/AlTiN-0.8复合涂层;C-PN/AlTiN-1.5复合涂层;D-PN/AlTiN-0复合涂层 55 H13钢表面PN-PVD复合处理研究_结论 采用APA-Arc技术在抛光态和等离子渗氮处理(化合物层厚分别为0.8? m、 1.5? m、0.0? m)的H13钢表面沉积了AlTiN涂层,探讨了H13钢上不同渗氮层 对PN-PVD复合涂层性能的影响。 (1)沉积的AlTiN涂层厚度6.7? m,三种PN-PVD复合涂层硬度均大于单 一AlTiN涂层。横截面形貌观察表明,复合涂层均无黑色层形成,AlTiN涂层沉 积过程中的离子轰击促使氮原子进一步向内扩散。 (2)洛氏压痕试验定性表明,单一AlTiN涂层结合力等级HF3-4,而PNPVD复合涂层的膜基结合力等级HF1;划痕试验结果表明,无化合物层的PNPVD复合涂层Lc2为58N,附着性最好。 (3)常温球-盘摩擦磨损试验结果表明,单一AlTiN涂层摩擦系数较大且 不稳定, PN-PVD复合涂层具有稳定的摩擦系数,其中无化合物层的摩擦系数 最为稳定,且磨损轨道光滑均匀,耐磨性优于含有化合物层的复合涂层。 56 华南理工大学材料表面工程与薄膜技术 创新研发中心 生产管理团队 博士 7 人、硕士 3 人; 经营管理高级职员8人 曾德长 教授 周克崧 院士 刘仲武 教授 匡同春 教授 刘正义 教授 许麟康 教授 李尚周 副教授 苏 群 高级工程师 赵升升博士 吴姚莎博士 董应虎博士 技术顾问 技术研发 团队 高级职称研究 人员12人、博 士后4人、博 士生20人、硕 士生43人 Martin Tempus 博士 韩培刚 千人 黄 烈 高工 邱万奇 教授 林秋生 博士 王刚 副教授 余红雅 副教授 车晓舟 副教授 钟喜春 副教授 郑志刚 副研究员 57 周院士多功能硬质膜设备_已开展的研究工作 (1)不同材质基体表面等离子渗氮技术研发; (2)硬质合金刀具表面APA-Arc涂层技术研发; (3)硬质合金刀具表面DC-MS涂层技术研发; (4)硬质合金刀具表面HiPAC涂层技术研发; (5)模具钢表面PN-PVD涂层技术研发; (6)医用金属材料表面改性(组合)技术研发。 58 华南理工大学材料表面工程与薄膜技术 创新研发中心 让我们共同开辟材料 表面技术与应用新篇章! 谢谢大家! 致 谢: 国家自然科学基金面上项目“双重高离化处理增强硬质合金上纳米 WN膜附着性机理的研究”(51471071) 广东省科技攻关计划项目“钨钴硬质合金表面新型离子渗氮处理关键 技术研究”(2013B010403008) 衷心感谢课题组老师和小伙们的帮助

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