稀土復(fù)合滲技術(shù)在輪胎模具中的應(yīng)用

1、稀土復(fù)合滲技術(shù)在輪胎模具中的應(yīng)用廣東巨輪模具股份有限公司 鄭向新摘要采用強(qiáng)韌化預(yù)先熱處理新工藝及稀土復(fù)合滲的表面強(qiáng)化新技術(shù)，使輪胎棋具的服役性能和使用壽命大大提高，輪胎模具的表面性能也明顯提高，達(dá)到了模具微變形、環(huán)保節(jié)能的目的。 關(guān)鍵詞 輪胎模具 強(qiáng)韌化處理 稀土復(fù)合滲 表面強(qiáng)化 1 前言 輪胎模具在近10年獲得了高速發(fā)展，從上世紀(jì)80年代成功研制第一批子午線輪胎活絡(luò)模具開始，我國輪胎模具制造技術(shù)日趨成熟。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著我國汽車制造業(yè)的迅猛崛起，輪胎模具制造業(yè)更面臨前所未有的發(fā)展機(jī)遇。 提高輪胎模具的工作性能和使用壽命，為輪胎下業(yè)提供更優(yōu)質(zhì)業(yè)經(jīng)濟(jì)的輪胎模具，創(chuàng)造更好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，是

2、輪胎模具制造業(yè)一直追求的目標(biāo)。 輪胎模具選用材料及具熱處取、表面強(qiáng)化處理是影響輪胎棋具什能和壽命諸因素中的主要因索。巨輪公司制造的輪胎校具采用國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)塑料模具鋼，保證了原材料的高致密度和高純凈度。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計制造強(qiáng)韌化熱處理爐，應(yīng)用先進(jìn)的強(qiáng)韌化熱處理工藝，根據(jù)細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理，獲得顯微組織的細(xì)晶粒度，使輪胎模具整體具有良好的綜合力學(xué)性能，并為最終的模具表面強(qiáng)化處理提供理想的金相組織。稀土復(fù)合滲表面強(qiáng)化上藝在自行研制的表面強(qiáng)化處理設(shè)備中進(jìn)行，對輪胎模具型腔部份及主要結(jié)構(gòu)零部件實(shí)現(xiàn)Re-O-N-C四元索復(fù)合滲處理下藝，達(dá)到模具表面改性的口的，使其具有良好的耐磨、耐腐蝕、抗擦傷、抗咬合及耐疲勞性能，

3、特別是顯著提高輪胎模具在輪胎硫化過程中的耐腐蝕性能。 實(shí)踐證明，通過上述熱處理及表面強(qiáng)化處理技術(shù)，可以采用碳素塑料模具鋼(S45C、S50C)及低合金塑料模具鋼(35CrMo，40Cr)取代昂貴的精密塑料模具鋼(P20、718、2738)，制造出在服役條件下具有良好使用性能和長壽命的輪胎模具，從而降低輪胎模具制造成本，提高國產(chǎn)輪胎模具的市場競爭力。 2 強(qiáng)韌化預(yù)先熱處理工藝 輪胎模具的服役條件比較惡劣，特別是子午線輪胎活絡(luò)模具型腔及主要零部件長期處于160°的腐蝕性工作環(huán)境，承受各種復(fù)雜應(yīng)力的作用。因此，輪胎模具要求其基體具有高的強(qiáng)韌性和其他良好的力學(xué)性能，而其表面應(yīng)具有優(yōu)異的耐磨性

4、、耐蝕性和抗咬合性，模具基體的強(qiáng)韌性通過預(yù)先熱處理工藝獲得，這種特定的預(yù)先熱處理工藝使模具得到均勻的細(xì)晶粒顯微結(jié)構(gòu)，從而具有高的強(qiáng)度和韌性，并改善切削性能，為模具最后的表面強(qiáng)化處理提供良好的金相組織。 強(qiáng)韌化處理的機(jī)理是細(xì)晶強(qiáng)化。模具鋼構(gòu)顯微結(jié)構(gòu)的品粒度對鋼的強(qiáng)度和韌性均有影響，細(xì)小球狀的碳化物及小的碳化物間距，在提高機(jī)械強(qiáng)度的同時提高了零部件的韌性，在復(fù)雜應(yīng)力作用下不易開裂，輪胎模具毛坯經(jīng)過強(qiáng)韌化處理斤，獲得尺寸為(5-10)m晶粒度為10-12級的細(xì)小晶粒，從而使模具基體的強(qiáng)韌性明顯提高。此外，細(xì)小的晶粒度必然使相界面顯苫增加，為稀土復(fù)合滲工藝提供了更好的滲入條件。模具強(qiáng)韌化處理后布氏硬度

5、為200230HB，具有良好的切削加工性。 強(qiáng)韌化處理工藝參數(shù)控制包括加熱速度、加熱溫度、保溫時間及適當(dāng)?shù)睦鋮s速度等因素?？焖偌訜崾菍?shí)現(xiàn)強(qiáng)韌化處理的關(guān)鍵，輪胎模具在快業(yè)加熱時奧氏體的形成同樣是形核和核心的長大過程，奧氏體的形核需要形核功，圳熱速度快，形核功降低，形核且增加，提高形核率，有助于晶粒細(xì)化。同時，快速加熱時上件內(nèi)外的溫度梯度所產(chǎn)生的應(yīng)力引起位錯的滑移和攀移，造成的大星空位促進(jìn)了形核和核心的長大過程。但過快的加熱速度將造成碳化物溶解來不及完成，使奧氏體成分不均勻，影響模具的抗蝕性，這一點(diǎn)對于在腐蝕性氣氛工作條件下的輪胎模具尤應(yīng)注意。輪胎模具強(qiáng)韌化處理加熱溫度及保溫時間同樣是影響晶粒度的

6、重要參數(shù)，加熱溫度提高，將使晶粒成長速度加快。根據(jù)奧氏體形成機(jī)理，在鋼逐步加熱到臨界點(diǎn)Ac1：的過程中，部分滲碳體按極限溶解度溶入鐵素體，當(dāng)溫度達(dá)到Ac1時，奧氏體在鐵素體碳化物邊界成核，奧氏體的形核率相高。在稍高于Ac1，形成具有奧氏體晶粒的原子排列起伏，即臨界尺寸的奧氏體晶粒，初始形成的奧氏體品粒很細(xì)。隨著加熱溫度的進(jìn)一步提高，則只有奧氏體晶粒的長大，而無新晶粒的產(chǎn)生。因此，加熱溫度以稍高于Ac1為宜。確定保溫時間的依據(jù)足使模具整體達(dá)到相變溫度并實(shí)現(xiàn)奧氏體成分均勻化，由于新產(chǎn)生的奧氏體晶粒小碳含量不均勻，在碳濃度梯度影響下，發(fā)生奧氏體中碳原子從原滲碳體區(qū)向鐵索體區(qū)的擴(kuò)散，這種擴(kuò)散的另一個結(jié)

7、果是造成奧氏體晶粒的擴(kuò)大。顯然，過長的保溫時間必然影響晶粒細(xì)化，為使奧氏體成分均勻化而又不致造成晶粒粗化，必須根據(jù)加熱速度、加熱溫度、工件形狀及大小、裝爐量等緒多因素通過試驗(yàn)確定最佳保溫時間。輪胎模具預(yù)先熱處理應(yīng)以獲得細(xì)小粒狀珠光體為目的，粒狀珠光體具有良好的切削性能。同時，粒狀珠光體比片狀珠光體的強(qiáng)度和硬度較低而塑性韌性較好，粒狀珠光體的形成條件是加熱時貝氏體化溫度較低、冷卻時過冷度較小，為獲得具有較高強(qiáng)度和硬度的粒狀珠光體，輪胎模具加熱保溫后用壓縮牛氣進(jìn)行強(qiáng)制性風(fēng)冷，以提高冷卻速度，降低過冷度，取得明顯效果。 為保證上述工藝參數(shù)的實(shí)施，自行設(shè)計制造大型強(qiáng)韌化處理爐，爐膛尺寸為：2000mm

8、×l360mm，空爐時由室溫升至臨界溫度Ac1的時間為35min。 圖1為S45C鋼強(qiáng)韌化處理后的顯微組織，組織為粒狀珠光體及鐵素體，晶粒度1012級，晶粒直徑5-10m，硬度200-230HBS。 3 稀土復(fù)合滲表面強(qiáng)化處理 輪胎模具的工作條件是受腐蝕性氣體的化學(xué)腐蝕、受熱、受壓力、受磨擦，要求模具型腔表面光滑、美觀，其輕度的磨損和表面形態(tài)的惡化將造成模具失效。對輪胎模具進(jìn)行表面強(qiáng)化處理的目的是在基體原有性能的基礎(chǔ)上在其表面再賦予新的性能，使工件表面耐腐蝕、耐磨損、耐熱疲勞、抗粘附、抗熱咬合，并且適宜多次修整。因此，稀土復(fù)合滲表面強(qiáng)化處理是使模具表面獲得不同于基體材料的組織及性能的

9、一種技術(shù)，經(jīng)表面強(qiáng)化處理后，達(dá)到模具表面改性的目的，既能發(fā)揮基體材料的力學(xué)性能，又能使模具表面獲得各項(xiàng)新的性能，并能掩蓋基體材料表面的缺陷，延長輪胎模具使用壽命。 稀土復(fù)合滲是在氣體加氧軟氮化的基礎(chǔ)上發(fā)展的表面改性技術(shù)。眾所周知，氣體軟氮化及氣體加氧軟氮化是廣為應(yīng)用的工藝技術(shù)，氣體軟氮化是低溫氮碳共滲的過程，氮(化層由化合物層及擴(kuò)散層組成。x射線結(jié)構(gòu)分析表明化合物層是-Fe2-3(N.C)的單相層，其厚度僅為2-15m，無法承受較大的接觸應(yīng)力負(fù)荷，在腐蝕性氣體工作條件下的耐蝕性能也有待提高；氣體加氧軟氮化是在氣體軟氮化基礎(chǔ)上添加少量氧氣或空氣的工藝，氧的加入提高了氪原子的活性，使-相層厚度增加

10、，并在最外層形成由Fe3O4和FeO3構(gòu)成的氧化膜，提高了模具表面的防銹抗蝕性，但存在著氮化溫度略高及滲氮速度略慢的缺點(diǎn)。 圖2為S45C鋼氣體加氧軟氮化后的金相組織，白亮層為-Fe2-3(N.C)單相層，厚度10-25m。 為提高滲速、節(jié)能和強(qiáng)化輪胎模具的表面性能，研究開發(fā)了稀土復(fù)合滲工藝技術(shù)，自主設(shè)計制造大型稀土復(fù)合滲表面強(qiáng)化處理設(shè)備，對輪胎模具大型零部件實(shí)施稀土復(fù)合滲表面強(qiáng)化處理。 20世紀(jì)80年代，我國開始對稀土化學(xué)熱處理開展研究，20年的開發(fā)和實(shí)踐，形成了“稀上共滲技術(shù)”。實(shí)踐證明，由于稀上元素特殊的原子結(jié)構(gòu)和活性，稀土元素不僅能滲入鋼的表面，而且能在表面層中形成一定的濃度梯度?！跋?/p>

11、土共滲技術(shù)”的優(yōu)異特性主要有4個方面： (1)稀土元素在化學(xué)熱處理過程中起到催滲和微合金化雙重作用，使工藝過程明顯加快，滲速叫提高20%-25%。 (2)改善滲層組織結(jié)構(gòu)和性能，由于稀土原子比鐵原子大，其滲入引起點(diǎn)陣畸變，使間隙原子在畸變區(qū)富巢，成為化合物的成核核心，析出彌散分布的化合物，使?jié)B層組織細(xì)化，改善滲層性能。 (3)稀土元素對基材的凈化作用，改善了化合物中夾雜的形態(tài)和分布提高了滲層的韌性，并在一定程度提高了滲層的耐蝕性和耐磨性。 (4)La和Ce均可擴(kuò)散進(jìn)入模具的表面并作遠(yuǎn)程擴(kuò)散，形成稀土化合物和金屬間化合物，產(chǎn)生微合金化的作用，達(dá)到表面改性強(qiáng)化的目的。 綜合上述，稀土共滲技術(shù)除了提

12、高滲速，還對模具表面起到強(qiáng)化、硬化和滑化的作用。降低表面摩擦系數(shù)，提高表面抗腐蝕性能和抗氧化性能，從而有效地提高輪胎模具的使用性能和延長使用壽命。巨輪公司自主研制了大型表面強(qiáng)化處理設(shè)備，對輪胎模具進(jìn)行稀土復(fù)合滲表面強(qiáng)化處理，產(chǎn)品在輪胎廠的硫化機(jī)上實(shí)際應(yīng)用，證實(shí)了經(jīng)過稀土復(fù)合滲表面強(qiáng)化處理的輪胎模只具有優(yōu)異的機(jī)械性能和化學(xué)性能，特別是在160的酸性腐蝕性氣氛中顯示良好的耐蝕性能。 左面強(qiáng)化處理設(shè)備整體系統(tǒng)包括設(shè)備主體部分、電器及溫度自控系統(tǒng)、滲劑及稀土有機(jī)溶劑輸送系統(tǒng)、氣氛測試系統(tǒng)等。設(shè)備主體部份的爐襯結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，采用容重<1.0g/cm3的輕質(zhì)磚及硅酸鋁耐火纖維等新刑保漏材料

13、，降低散熱損失和蓄熱損失，可節(jié)能20以上。溫度自控系統(tǒng)采用WP-LCD-R智能化大屏幕液晶顯示記錄儀，實(shí)現(xiàn)分段式的溫度自動控制，應(yīng)用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，能存儲最長達(dá)365天的測量數(shù)據(jù)。滲入元索輸送系統(tǒng)均采用各種儀器實(shí)現(xiàn)量化控制。氣氛測試系統(tǒng)能完成各種參數(shù)的實(shí)時測試以便及時進(jìn)行調(diào)控。實(shí)踐證明，表面強(qiáng)化處理設(shè)備各項(xiàng)使用性能達(dá)到設(shè)計預(yù)期，與同類型化學(xué)熱處理設(shè)備比較，節(jié)能40以上。 稀土復(fù)合滲工藝是Rc-O-N-C 4種元素同時滲入模具表面的過程。稀土的滲入在熱力學(xué)上是一個自發(fā)的過程，稀土元素進(jìn)入工件表層并留存于特定的地方，從而對其他元素滲入的過程速率、表層成分和組織產(chǎn)生相應(yīng)影響，而N、C、O均是能與鋼鐵材

14、料形成化合物的元素，當(dāng)幾種元素同時滲入工件表層時，涉及到多元吸咐和多元擴(kuò)散的問題，滲層組織和形成過程相當(dāng)復(fù)雜，凡擴(kuò)散激活能較高、擴(kuò)散系數(shù)較小的組元與另一擴(kuò)散系數(shù)較大的組元共同擴(kuò)散時，則前一組元的擴(kuò)散將被加快，而后一種組元的擴(kuò)散卻將減慢，達(dá)到共同滲入的目的。 稀土復(fù)合滲的關(guān)鍵在于稀土滲劑及其配制方法符合要求?，F(xiàn)代化學(xué)熱處理必須保證工藝過程及工藝介質(zhì)具備下列特點(diǎn)：很好的結(jié)果重現(xiàn)性；無公害；良好的經(jīng)濟(jì)性?；谏鲜隹紤]，在進(jìn)行Re-O-N-C復(fù)合滲時，采用NH3作為供氮劑，純O2作為供氧劑，C2H5OH作為供碳劑，而供稀土劑則采用稀土元素La和Ce溶入相應(yīng)有機(jī)溶劑中而成。將上述滲劑及稀土有機(jī)溶劑通過輸

15、送系統(tǒng)進(jìn)入設(shè)備主體部份，實(shí)現(xiàn)稀土復(fù)合滲表面強(qiáng)化處理。資料表明，在相同的化學(xué)熱處理?xiàng)l件下，稀土元素的添加可使?jié)B速提高20%以上。因此，在制定輪胎模具的稀土復(fù)合滲工藝曲線時，從減少變形及節(jié)能的角度出發(fā)，采用了550°共滲4-6h的新工藝，共滲后繼續(xù)供NH3，降溫至450，然后油冷，這種快冷的工藝對滲層硬度、韌性及抗蝕性能均有良好的影響。稀土復(fù)合滲處理后的輪胎模具表面呈有光澤的灰蘭色。 圖3為S45C鋼經(jīng)過稀土復(fù)合滲表面強(qiáng)化處理后的顯微組織，工件由表及里顯示的金相組織依次為：氧化膜-白亮層化合物-擴(kuò)散層-次擴(kuò)散層-基體組織。吸咐性氧化膜只有防銹抗蝕性能；白亮層是多種元素化合物的相層，結(jié)構(gòu)致

16、密的相層具有耐磨、耐蝕、抗咬合等優(yōu)良性能且不呈脆性，稀土元素提高了相層的塑性和韌性、抗大氣腐蝕能力和對弱酸的耐蝕性，這對于在酸性氣氛服役條件下的輪胎模具有著重要意義；擴(kuò)散層主要由'相層組成，相是多種元素在-Fe中的間隙固溶體，'相是有序面心立方點(diǎn)陣的間隙相，具有較高硬度和韌性。這種較高硬度使相層有著堅實(shí)的基礎(chǔ)；次擴(kuò)散層主要由相構(gòu)成，相是多種元素在-Fe中的間隙固溶體，稀土復(fù)合滲后在快冷過程中相轉(zhuǎn)變?yōu)橐院獮樯系鸟R氏體，提高了次擴(kuò)散層的硬度；心部是模具材料預(yù)先熱處理后的原始組織。顯然，由于稀土元素的作用使?jié)B層厚度明顯增加。 在生產(chǎn)實(shí)踐中，經(jīng)稀土復(fù)合滲表面強(qiáng)化處理的輪胎模具實(shí)際使用效果表明，采用國產(chǎn)碳素塑料模具鋼或低合金塑料模具鋼制造的輪胎模具通過預(yù)先強(qiáng)韌化處理及最終的左面強(qiáng)化處理后，可以取代昂貴的高合金精密塑料模具鋼，從而提升了巨輪公司輪胎模具的性價比優(yōu)勢，增強(qiáng)了市場競爭力。 4 結(jié)束語 (1)強(qiáng)韌化預(yù)先熱處理的實(shí)質(zhì)是細(xì)化晶粒，鋼的強(qiáng)度和韌性通過減少顯微組織小的晶粒尺寸而得到改善。強(qiáng)韌化處理使輪胎模具基體具備綜合機(jī)械性能。同時，細(xì)小的晶粒度必然增加相界面，為隨后的表而強(qiáng)化處理提供了更好的滲入條件。 (2)稀土元素在表面強(qiáng)化處理過程中起到催滲和微合金化雙重作用，對提高滲速、改善