注塑發(fā)泡模具制造材料的選擇及熱處理工藝研究

注塑發(fā)泡模具制造材料的選擇及熱處理工藝研究 題目注塑發(fā)泡模具制造材料的選擇及熱處理工藝研究摘要材料替代技術在現代工業(yè)領域中運用比較廣泛，簡而言之，它是利用一種新材料和適當的處理方法來替換原材料的一種手段，由于國內工廠考慮經濟因素，選取這種方法可以為企業(yè)減少成本，利用不同材料改善產品性能，獲得巨大的收益。了解新材料的特點和性能，從而利用其優(yōu)越條件運用合理的工藝手段，能改善使用性能。獲得壽命更長，使用依靠性更加牢靠的零部件，降低了國內工廠資源的成本，小支出大收益，滿足了社會市場的需求。本文采用幾種不同的材料通過滲硼處理，在其中找出最適合的材料替代某模具工廠采用的42CrMoV沖頭，分別通過金相顯微鏡的組織觀察、硬度的測量、快速磨損實驗來檢驗這幾種不同材料的硬度、組織、性能，觀察性能是否優(yōu)于42CrMoV材料原本性能。關鍵詞：滲硼組織材料替代硬度Title:ResearchontheselectionofmoldingmaterialsandheattreatmenttechnologyofinjectionfoammoldAbstractMaterialreplacementtechnologyusedmorewidelyinmodernindustrialfield,inshort,itisakindofnewmaterialsandusingappropriatemethodstoreplaceameansofrawmaterials,duetothedomesticfactoriesconsidereconomicfactors,thisapproachcanreducecostsfortheenterprise,usedifferentmaterialtoimproveproductperformance,hugerevenues.Tounderstandthecharacteristicsandpropertiesofthenewmaterial,soastouseitssuperiorconditionsandreasonabletechnologicalmeans,canimprovetheperformance.Byobtainingpartswithlongerlifeandmorereliabledependence,thecostofdomesticfactoryresourcesisreduced,smallexpenditureandlargebenefitareobtained,andthesocialmarketdemandissatisfied.ThispaperUSESseveraldifferentmaterialsbyboronizingtreatment,inwhichtofindthemostsuitablematerialtoreplacesomemouldfactoryusing42crmovpunch,respectivelybyobservationoftheorganizationofthemetallographicmicroscope,hardnessmeasurement,rapidwearexperimentstotestthehardnessofseveraldifferentmaterials,organization,performance,observewhetherperformanceisbetterthan42crmovmaterialperformance.Keywords:BoronizingMicrostructureMaterialsubstitutionHardness目錄TOC\o"1-3"\h\u1312摘要 113634Abstract 2527第一章緒論 5275191.1模具的概述 5187781.1.1模具的分類 610771.1.2模具的組成 7222861.2模具的特點及應用 9231151.2.1模具生產及模具的特點 974131.2.2模具的應用 10279741.3注塑的概述 11315111.3.1發(fā)泡的概述 11159411.3.2模具沖頭 12133251.4滲硼工藝 12177111.4.1滲硼工藝的概述 12268861.4.2滲硼工藝的原理 13111971.4.3滲硼工藝的分類 14320231.4.4滲硼工藝在易磨損零件的應用 1440941.4.5滲硼工藝在模具中的應用 1520701.5固體滲硼 16318251.5.1固體滲硼概述 16320731.5.2滲硼劑的選用與使用 17183951.5.3其它元素對滲硼的影響 1831711.5.4滲硼新工藝 1827651第二章實驗材料及實驗內容 19142532.1研究內容 19323812.2固體滲硼實驗 20155842.2.1實驗材料及實驗藥品 20210392.2.2實驗設備 21158522.2.3實驗工藝流程 2188042.3組織性能表征 22158402.3.1金相實驗 2243412.3.2維氏硬度實驗 23262522.3.3磨損實驗 2331480第三章沖頭替換材料的滲硼工藝的研究 24146063.1引言 2471503.2材料滲硼的微觀結構 24118633.2.1滲層的組織 24201413.2.2滲硼基體組織 2633043.3滲硼后的硬度 27170703.4滲硼后的磨損性能 309578第四章結論 30第一章緒論1.1模具的概述模具是項工具把所需要的零件一次成型。而想要得到實際需要的物品，作為一種成型工具的模具它可以利用多種方式得到，例如吹塑、鍛壓、沖壓成型等方式。由于模具有很多，根據實際所需要的產品，模具有簡易也有繁瑣，它由許多個零部件構成，這種組成的零部件也不是單一不變的，不一樣的模具會由不同種類的零件組成。以改變物理狀態(tài)的方式來獲得產品外形塑造的模具被人們稱之為“工業(yè)之母”。在現如今的工業(yè)工程加工領域中，模具非常常見也不可或缺，它具有很多的優(yōu)點，質量高、生產效率高、降低成本，同時也保護了環(huán)境，降低污染。制造工廠中的大部分設備都需要用到模具，模具產品逐漸應用到各個領域，呈現縱橫深度同步擴展發(fā)展趨勢。以汽車為代表的交通設備、冰箱洗衣機這種電子設備、和塑料制品的輕工業(yè)中大約百分之70左右的零部件都需要進行模具成型處理。因此對模具的質量、精度具有嚴格的要求，它們最終致使產品的合格與否。模具工業(yè)是中國所有行業(yè)和經濟部門的基礎產業(yè)。當今，中國正身處產業(yè)結構轉型的一個緊張期間。國家對新七領域的計議是要截止至明年底增加代表著未來科技的新興產業(yè)的價值占GDP的百分之十五。要想達到這樣的目標，在國家的新七領域中，頂級配備會被現代的各種制造企業(yè)所重視，使得在國際上立足。在現代工業(yè)制造領域中，要想在高端技術立足，這一行業(yè)一定會被著重大力發(fā)展。隨著社會向智能化、輕量化、個性化前進，我們對產品要求的更高，拿生活中的手機舉例子每年都會更新一部至兩部的新產品，所以模具產業(yè)也在不斷的更新改朝換代，市場規(guī)模也是非常的龐大，為了在國際上樹立自己的競爭力。中國模具產業(yè)的前進方向大體可以體現在幾個方面：多功能復合模具的成長會受到越來越多的重視，因此對成型理論基礎和工藝原理的研究將受到重視。通過對理論、模具成型加工工藝的研究，向更高級別的多功能復合模具邁進，進一步改良。產品開發(fā)將是大型化和精確性，各種各樣的零件和小部件都已經不能滿足國內市場的需求，產品的發(fā)展正朝著大型化，高精度的方向前進，而模具發(fā)展是在這方面有著相應改變。模具選擇優(yōu)良的材料與深化表面處理技術將受到重視，為了提高模具的使用壽命，我們一定要注意模具材料的選擇和表面強化的方式。提高模具的使用壽命是工廠資源成本降低的關鍵所在，從而使國內生產力變的更加高效。開發(fā)設備和先進的技術用于有效，精確和數控自動化模具加工。由于數控銑床和各種檢測設備的不斷發(fā)展和利用，復制銑床，坐標磨床，各種數控加工電動研磨機，模具組件這類的發(fā)展使得模具的加工精度大大提高同時加工周期也被縮短，與此同時，新的模具技術也應運而生，這進一步促進了國內模具工業(yè)的發(fā)展。模具標準件的應用將受到重視，作為模具工業(yè)發(fā)展的基礎，標準件模具不僅可以是提高模具質量、還可以為工業(yè)節(jié)約成本，這也是模具發(fā)展的方向。在模具設計過程中，加強計算機輔助需求和促進CAD/CAE/CAM技術的學習，這可以實現模具設計和制造的集成。1.1.1模具的分類模具的分類有很多種，根據不同的分類方式可以進行以下分類。據加工對象和加工工藝可分為：①金屬的模具。②非金屬和粉末冶金的模具。這些包括塑料模、橡膠模和粉末冶金模。塑料膜被分成雙色模具、壓塑模具和擠塑模具等根據結構的特點可被分為：模具可被進一步劃分成沖裁模（平面形）和型腔模（有一定的空間）。模具通常為單件，并且以小批量產出。根據所成型的材料的不同可分為：五金模具、塑膠模具、以及其特殊模具等。五金模具包括：分為沖壓模具、擠壓模、壓鑄模和鍛造模等。其中沖壓模又可分為沖裁模、拉伸模、翻孔模、整形模、復合模和級進模等等。鍛模具又有模鍛模具、鐓鍛模具。非金屬模具分為：塑料模具、無機非金屬模具、砂型模具、真空模具和石蠟模具等。在工業(yè)的沖壓生產中，沖壓模是不可或缺的一種重要的工藝裝置配備，實用性強，是一種技術密集型的產品。沖壓件的生產效率和質量和模具的設計有著密不可分的聯系，模具制造技術的水平，決策了國家的產品制造能力能否領先。沖壓模具有多種形式存在，大體可依據如下的基本特點進行區(qū)分。1、根據工藝性質分類（1）沖裁模其中沖裁模是沿著封閉或敞開的輪廓分離材料。如沖頭模具、沖孔模具、切割模具、修邊模具等。（2）彎曲模使板料毛坯沿著直線或是彎曲線產生的彎曲變形，進而獲得一定角度和形狀的工件的模具。（3）拉深模拉深模是一種模具，其中毛胚坯料形成為開口形狀，并且中空構件的形狀和尺寸改變。（4）成形模是將毛坯或半成品工件按圖凸、凹模的形狀直接復制成形，而材料本身僅產生局部塑性變形的模具。如脹形模、縮口模、擴口模、起伏成形模、翻邊模、整形模等。2、根據工序組合程度分類（1）單工序模在壓力機的一次工作運行中，只完成一道沖壓工序的模具。（2）復合模僅具有一個工作位置，并且在壓力機的一次行程中，兩個或更粗哦個沖壓工藝的模具在同一個工作位置同時完成。（3）級進模在胚料的的進給方向上，有兩個以上的工作位置，并且在壓力機的一個行程中，兩個或更多各沖壓工藝在不同的工作位置被依次完成。1.1.2模具的組成就沖壓模具來說，其模具的組成大致包括兩大部分：工藝部件和結構部件，工藝零件包括工作部件（凸模、凹模）、定位部件（側刃、塊銷、導料板等）、壓力卸料裝置及其它輸送件、拆卸裝置等；結構件包括導向部件（導向柱、導向襯套）、固定（凸模固定板）與緊固件（螺釘、圓柱銷）、支承部件（墊板、上下模座、模柄）等等。其塑料模具的構成包含八個部分。1、成型件：芯、型腔板、型桿、側芯等；2、澆注的部分：主流襯套、澆口襯套3、導向部件：傾斜導柱、小導柱4、推出部件：推桿、推板、推管5、側向分離與抽芯機構：斜楔6、固定與支撐部件：上下模座、固定板、螺釘7、定位部件：定位環(huán)、定位銷8、加熱、冷卻部件：軟管、套管、密封圈1.1.3模具的制作流程一、接受任務書最終成型模具樣品的任務書大部分是由設計人提出，其任務書中的具體內容如下：1.由專業(yè)人士簽署，批準，正式圖紙應標明等級和塑料的透明度等事宜。2.制件的技術要求。3.生產產量。4.制件樣品?；诔尚凸ぜ蝿諘湍＞咴O計任務書，工作人員制作出最終的模具。二、搜羅、領會資料收集和組織相關零件設計，模制過程，模制設備，和機械加工的方法。理解塑料制件圖。充分領略制件的使用范圍，說明其具體參數，形狀大小允許范圍內的偏差等條件。例如制件在大小、結構、及其性能等要素的條件是什么，無論是梯度，結構，以及零件的幾何方向設計都應當被適當地布置，諸如熔接痕、縮孔等成型缺陷的允許程度，和是否有電鍍、隨后的處理如粘結和鉆孔都應被考慮。選擇塑料制件尺寸精度最高的尺寸進行分析，提前預估成型公差是否低于塑料制件的公差，以及是否能夠形成所期望的塑料部件。2.分析工藝資料，通過仔細詳閱工藝任務書，對設備規(guī)格、材料型號等的選用進行合理的判斷，是否能進行正常的實際應用。根據實際使用的零件，模制材料應滿足顏色，形狀尺寸，尺寸精度，透明性，硬度，強度的技術要求和耐磨性，并具有良好的拉伸各向同性和熱穩(wěn)定性等。3.確定成型方法模具注塑成型方法有很多種，至于具體采用何種成型方法，需要根據具體成品制件要求及實際情況進行選擇。常用的成型方式有壓注成型方法、中空成型方法、擠塑成型方法等。選擇成型設備成型設備是用于通過模具來生產不種類型的形成坯和成形件的裝置。在現在的工業(yè)生產中通常使用的成形設備包括液壓機，塑料擠出機，壓鑄機，塑料熱成型設備，注塑機等。至于具體選擇哪種設備或是說選擇設備的依據是什么，前提一定要了解不同設備的結構、標準、使用范圍以及性能狀況之間的差異。如需要了解注射容量、鎖模壓力、注射壓力、模具安裝尺寸、頂出裝置及尺寸、噴嘴孔直徑及噴嘴球面半徑、澆口套定位圈尺寸、模具最大厚度和最小厚度、模板行程等，具體參數在設備上會有所標注。5.具體結構方案（1）選擇模具的類別。像金屬模具、非金屬模具、鑄壓模、塑料模和沖壓模等。（2）選擇模具類型的主要結構選擇理想的模具結構要考慮的方面有兩個。一是選擇成型設備，二是選擇合理的型腔數目。使模具的工作滿足兩個方面，一是制件的工藝方法，二是符合生產經濟的需求。滿足前者必須要確保其幾何外形，粗糙度和大小尺寸。生產經濟要求的是要讓塑料制件的成本降低，模具持續(xù)不斷的工作，提高生產力，同時減小了勞動力。三、影響模具結構的因素：1.型腔布置。設計模具時要事先算出型腔的數目，這是為了能讓它與注塑機相切合，提高了塑件的精度也提高了生產的效率，一舉兩得，型腔數目可根據注塑機的額定鎖模力、塑件精度、最大注塑量和經濟性來綜合考量。還要考慮型腔的布局，要同時滿足主流道到各型腔流程短、各型腔從總壓力中均等分得壓力、型腔間距要大等要求。例如注射模，塑料制件精度為3級和3a級，重量為6克，采用硬化澆注系統，腔的數量為4-6個；塑料制件一般精度（4-5級），成型材料為部分結晶的材料，腔的數量可選擇15-19個；塑料制件重量為11-15克，型的數量為8-11個；而重量為60-100克的塑料制件，型腔數取5-8個。對于無定型的塑料件，型腔的推薦數目為24-48個，16-32個和6-10個。當再繼續(xù)增加塑料制件重量，多腔模具就很少被選擇。2.確定分型面。選取分型面非常重要，關系到塑件的成型與脫模，因此確定分型面要有利于模具加工并且保證塑件的質量，方便脫模操作，這有利于提高制件的表面質量。3.選擇正確的澆注系統與排氣系統，其中澆注系統要看料流通道和分流道，還要注意進料口的形狀，尺寸和位置是否合理。至于排氣系統要選擇適宜的排氣方式，也要觀察排氣槽的位置，尺寸要求，使得空氣能正常流通排出。4.確定頂出方式。常用的方式有以下幾種：頂式桿、頂板式、套筒式、斜滑塊式還有復雜的組合式。還要選擇側面凹坑缺陷的處理方法和抽芯方式。5.確定加熱槽和冷卻槽的大小、形狀，和他們各自的加熱方法，并確定加熱元件的安裝位置。1.2模具的特點及應用1.2.1模具生產及模具的特點.模具產業(yè)在國際上的地位舉足輕重，其模具生產有著如下特點：相同處理的加工內容很繁瑣，所以生產效率較低。

b)要求工作人員具有較高的技術水平。

c)模具工作部分的大小和位置，必須經過測試后確定。

d)裝配之后都要經過工程試壓模、調整和制作范模的程序。

e)模具的生產過程比較長，其生產成本也略高一些。

f)由于模具生產是單個物品生產，所以其生產工藝、管理形式、制造方法都有著規(guī)律性和特殊性。通過模具成型可實現少切割甚至無切削的高效率途徑，生產出來的工件產品精度也提高很多，降低了表面粗糙度，大大提高了工作效率與質量其高生產率、低成本低消耗等優(yōu)良特點使得其應用領域十分廣泛。例如許多塑料、陶瓷和其他產品很多都是通過模具加工而成的。1.2.2模具的應用模具行業(yè)在制造業(yè)中應用非常廣泛，要想快速發(fā)展工業(yè)，模具必須要放在第一位，可以說模具是機械工程的主要核心力量，如果中國要發(fā)展成為制造強國名單中的一員，勢必要把模具首當其沖。據數據統計，模具加工技術生產制造出的零部件在軍工領域和民生中占有相當大的比例，就貼近我們生活的物品來說，自行車、冰箱、電視、數碼相機、汽車等幾乎大部分產品都需要進行模具加工處理，模具離不開我們的日常生活。就注塑模具而言，由于它的復雜性，一些構造簡單的模具不會用到這種技術，通常來講，注塑模具用于工藝非常復雜的模具。注塑模具大致分為兩種，分別為靜模和動模，前者主要用在固定模板上，后者用于移動模板上。正是由于兩種模具的融合使得注塑模具技術成長非常迅速。國際上已經有很多人士將高端技術與注塑模具工藝相結合，從而獲得更高質量的模具，傳統模具的制造離不開人力，這既消耗的時間成本也耗費了人力資源，且制造出來的模具效果也不是特別理想。致使生產效率低下，技術水平跟不上去，但隨著注塑模具等制造方法相繼出現，在與高端科技的相互融合，這為模具制造產品提高了效率。熱流道技術作為注塑模具行業(yè)的一個重要轉折，打破了以往的冷流道技術，解決了壓力不足，溫度不均勻導致產品瑕疵的問題。諸如這樣的解決問題還有很多，最終的目的都是為了優(yōu)化產品。隨著社會節(jié)奏的加快，模具產品的各項指標上升的很快，技術含量也相應提高，我國的模具行業(yè)正向著一體化、集成化、智能化的方向邁進。不一樣的零件需要不一樣的模具，每種模具都有著不用的作用，有一些特殊模具如：卷邊和卷鉸鏈模具。卷邊常常用在壓延拉伸后蓋子、盒子和鍋等產品上，在電氣產品如接線頭、接線板高低壓開關柜板面、門折頁等也常用到，接線頭用模具卷邊后，將導線穿入孔內用沖床壓扁固定，不要求圓形狀，則可獲得較理想又保證裝配要求零件。卷鉸鏈不同于卷邊，就模具結構而言，兩半圓或整圓的滾輪的端面邊緣一定要有過渡圓滑連接，才能保證不留壓痕，半徑部位不僅硬度要夠，而且要光滑，才能保證加工出的零部件光滑。像這樣的彎曲零件應用廣泛，如輸變電、高低壓開關柜、照明箱等，使的這樣的卷邊和卷鉸鏈模具也廣泛的應用。壓印模。用足夠的沖床壓力將平板材料或零件壓上花紋，與模具相反的字痕、圖像留在平板或零件上，有凸凹筋梗，應用于符號、名字、商標等花紋圖案，是一種特殊加工工藝，這種模具和加工方法大多應用于紀念章、獎章的制作，硬幣的生產等。切口模。將板材邊緣切成各種形狀的口，使材料與板材分離，還有一種情況是在材料的邊緣或材料內任何部位，切開一部分材料，剩余一部分，這些可用切口模來實現，不完全切斷的切口零件，一般還要整形，切斷本身是材料被破壞的塑性變形，對沒有彎形的切口模應用更廣泛些，如角鋼、槽鋼、鋼管等型材，都可以在任何部位切口[6]。1.3注塑的概述注塑成型是塑料加工業(yè)的一個分支，注塑技術是增長最快的塑料加工技術。隨著技術和工業(yè)時代的發(fā)展，其快速，批量，低成本的復雜形狀成型在中國注塑行業(yè)迅速發(fā)展。技術的蓬勃發(fā)展在品種，規(guī)格，精度和產量上有了質的飛躍。"以塑代鋼，以塑代木"已成為了現實。注塑成型有很多優(yōu)異的特點，它可以使形狀復雜、要求精度較高的塑料制件一次成型；可以形成具有金屬嵌件的部件，使其具有良好的組裝和互換性，這對塑料部件是有利的；注塑模具可以進行快速更替，生產出滿足市場需要的產品，且適用于工程塑料，以獲得具有特殊性能和特殊用途的產品，注塑模具因其高智能自動化，可實現完全機械式處理。注塑產品廣泛應用于家電，汽車，機械，電子，建筑業(yè)，醫(yī)療衛(wèi)生，農林業(yè)，軌道交通，軍工航天等行業(yè)。1.3.1發(fā)泡的概述發(fā)泡技術通常說的是微孔發(fā)泡成型技術。它是在注塑、擠出中，事先將超臨界態(tài)的CO2或N2注入一個特殊的裝置內，從而讓氣體和原料充分融合后，形成單相混合溶膠：使得這種溶膠引進模具型腔或口模，使其形成巨大的壓力差的變化，從而使其內部析出產生許多的原始微泡。在接下來的冷卻成型時，這種混溶膠內部的原始微泡持續(xù)發(fā)展，最后得到微孔發(fā)泡的塑料制品的過程就是發(fā)泡技術。隨著現在產品的多樣性，人們對制件的精度偏差程度和外觀要求愈加的嚴格，如果還是選擇傳統的注塑工藝進行制造，不可避免會發(fā)生許多問題，如質量存在問題存在產品變形等，廣大的加工商遇到前所未有的挑戰(zhàn)，他們需要一項新的技術從這個困境中走出來。由于原材料價格的提高，這亞洲市場帶來很大的沖擊，世界上很多的生產制造商面臨著一大問題，中國已經不是制造低廉產品的國家，而一些國家想要在市場中占領有利位置無法避免的選擇降低價格而順應消費者的要求。隨著技術的變革，精密的微發(fā)泡成型技術開始出現在了人們的面前，它打破了傳統，在注塑技術上是一種變革，采用更加精密的技術減少了成品件的重量，減小了成型的時間，也提高了制件彎曲變形的穩(wěn)定性，甚至可以將生產精度降低至0.001mm。顯而易見，這種注塑工藝在制造高質量制件上占有不可比擬的優(yōu)勢。在注塑成型這一技術層面中，Trexel公司的MuCell微發(fā)泡成型工藝顯現的特別有優(yōu)勢，其成為了應用最廣泛的成型技術之一。1.3.2模具沖頭沖頭是一個很重要的零配件，不是一次性耗材，可反復更換新沖頭，應用于沖壓模具上持續(xù)沖壓，將需要加工的材料產生形變，以獲取成品零件。模具沖頭常用的選擇材料有高速鋼，常見的型號有Cr12MoV、Skd61等等，也有選用鎢鋼進行制作模具沖頭。沖頭有3種類型，A型、T型、和異性沖頭三類。完整的沖頭使用體系還包括沖頭桿、沖頭螺母與沖母。不可獨立作用，配合它們的完成使用。沖頭加工過程經歷了拉絲、切斷和后續(xù)的熱處理。熱處理后按照尺寸，精度要求進行研磨精加工，再拋光，最后檢測。沖頭的發(fā)展經歷了數十年，目前已經達到了數控機床一體化生產，國內一些高端技術廠家已經可以把沖頭的質量規(guī)格做到更精細，精度可以達到上下偏差0.0002毫米，這在國際上也達到了頂尖水平，很難超越。然而沖頭在實際應用過程中也會存在一些問題，可能會發(fā)生沖頭表面拉傷，脫料時受力不均勻，沖頭硬度過高，可能會存在斷裂繃斷等情況。面對這樣的情況我們現在也在不斷去尋找原因，找到更好的解決途徑。1.4滲硼工藝.1.4.1滲硼工藝的概述.滲硼，從字面就可以明白是在含有硼元素的硼化劑中放入鋼鐵，并升溫使得硼元素滲入鋼鐵基體的一種工藝方法，經滲硼后的工件表面滲層具有非常高的硬度和耐磨性，改善了原材料的使用性能。不同鋼件進行滲硼后由于本身所含有的合金元素和碳化物含量的關系對滲硼后材料的性能效果也有很大差異。滲硼后表面的滲硼層具有較高的硬度強度、良好的耐磨性、耐腐蝕性以及紅硬性等優(yōu)點。早在1895年，滲硼技術已經進入了人類的研究，直到20世紀70年達已經有一部分已經投入到了實際的應用。中國大力著手研究滲硼研究也是在七十年代逐步進行。隨著科技和人類的進步，人們通過對滲硼工藝的研究愈加深奧，通過研究滲硼層的產生原因、產生過程，以及對滲硼層進行了細致的研究，包括它的性能、組織和形態(tài)，使得滲硼技術在現代工業(yè)中運用自如。滲硼技術已經有了相當大的進展，在材料領域卓有成就，成為提高材料表面硬度和耐磨性的最佳方法之一。現在大量的模具也都開始采取這種的方法，效果明顯，不僅提高了原材料的使用壽命和性能，同時也降低了成本，近些年來，我們國內滲硼主要有以下指標：（1）使用原來的材料通過滲硼使壽命延長。（2）用此種方式選擇合適的新材料替換，從而獲得優(yōu)良性能。滲硼方法主要包括固體滲硼，氣體滲硼，鹽浴中的液體滲硼和電解鹽浴中的硼化。其中固體方法和非電解熔鹽方法具有廣泛的應用。前者適用于復雜的幾何形狀，包括小孔零件，螺紋和盲孔，后者處理具有簡單幾何形狀的部件并且需要淬火以增加滲硼后基板的強度。滲硼處理工藝可應用于很多種類的鋼鐵材料上，例如鈷基和鐵基合金，以及鈦，鉭和其他有色金屬的材料，對金屬材料進行滲硼處理，以獲得與硬質合金硬度相當的表面層，以改善原來材料的耐磨性和耐腐蝕性等優(yōu)良性能。1.4.2滲硼工藝的原理滲硼，是在含有硼元素的硼化劑中放入鋼鐵，并加熱使得硼元素滲入鋼鐵基體的一種工藝手段，從而獲得優(yōu)越性能的硼化層，硼元素在高溫下進入了鋼鐵材料表面形成滲硼層，即擴散的硼和基體金屬在適合的溫度下形成了化合物層。滲硼層產生原因其實是與滲硼溫度和滲硼時間以及原材料基體組成有關。對于同一個型號的鋼種，其滲硼層的狀態(tài)主要和滲硼溫度和時間有關，提供硼元素的滲硼劑也有一定的關系。因此提高滲硼能力也提高了滲硼層的形成趨勢。對于鋼的滲硼，在不同的溫度下硼與鋼會形成固溶體，由Fe-B相圖可了解到，其硼在鋼中最大的溶解度小于0.02％。由于溫度的差異，硼和鐵可能會形成δ、γ或是α固溶體，硼在α-Fe會形成置換性固溶體，在γ-Fe中形成的主要為間隙固溶體。擴散程度在間隙固溶體中會比在置換性固溶體中容易，所以硼在α-Fe中的擴散速度小于在γ-Fe中。當發(fā)生滲硼時，硼化劑能夠產生非常多的B原子，期間保證密封防止氧氣進入，硼元素進入鋼的基體表面中，可能會形成兩種硼化物，分別為Fe2B和FeB。具體形成哪種硼化物與硼含量有關，硼含量達到8.84%時會形成Fe2B。含硼量達到16.23％時會形成FeB。這兩種硼化物均是穩(wěn)定的化合物，但其各自的熔點和硬度略有差別，其中Fe2B的熔點是1389℃，硬度范圍區(qū)間在1200至1680HV內，FeB的熔點是1550℃，硬度范圍區(qū)間在1890至2340HV之內。而且，鋼的成分也決定了硼化物的形貌，硼化物的平坦狀態(tài)是由于鋼體的含碳量和合金元素的增加，隨著這兩個原因的增加，硼化物會向平坦狀趨勢走，因為碳和合金元素會妨礙硼元素的擴散。1.4.3滲硼工藝的分類常見的滲硼工藝有固體滲硼、氣體滲硼、粉末滲硼、鹽浴滲硼等。其中固體滲硼工藝方法應用的較為廣泛，一般形狀復雜的零部件會采用這種方法，其次熔鹽法滲硼也被較多應用，它主要用于形狀結構簡單的零部件以提高性能。固體滲硼。顧名思義，它是將需要加工處理的零件放入呈固體狀態(tài)的滲硼劑中并在熱處理爐子中加熱至所需溫度，從而形成硼化層以提高材料性能的方法。這種方法采用的設備比較簡易，但這種方法也存在一定的弊端，就是實際操作過程會比較麻煩，工程量大。中型和小型的工件的滲硼一般選用顆粒狀滲硼劑，大型工件或是局部滲硼一般選擇膏劑滲硼劑。滲硼處理后，不同材料的鋼種可獲得50至200微米深的硼化層。鹽浴滲硼。在鹽浴中硼化。使用的鹽浴是含有5％至15％氯化物鹽的鹽浴，基于硼砂和加入B，碳或SiC作為氯鹽的鹽浴。處理后，應仔細清洗附著在工件上的鹽垢，因為熱處理后可能會存在殘存的污垢。硼化層可能是FeB或者Fe2B，也有可能為兩者的混合物，至于是哪種構成與硼化劑的活性有著密不可分的聯系，因此可以采取控制活性的方法獲得所需要的組分。將含有鉻，鉬，鎳和其他元素的合金鋼硼化以形成合金化硼化物，在化合物層下面是硼在鐵素體和滲碳體中的固溶體。硼化層的硬度會高達1300~1800HV區(qū)間內，其硼化層耐磨性高于滲碳淬火層，加熱至700℃時，其硬度高于HV900。在硫酸中，稀鹽酸，乙酸和在海水中，硼化層的耐腐蝕性可與不銹鋼相似，并且滲硼后鹽浴的性能顯著。（3）氣體滲硼。氣體滲硼的好處是溫度比較低時硼元素滲入速率快且工件變形小，不同于固體滲硼的是，它的滲硼劑不是固體而是氣體存在，但由于實驗過程中氣氛有毒且可能會爆炸,這在實際實踐中是不可行的。為了克服這個缺陷?？茖W實踐者開創(chuàng)了固體氣相滲硼。它是使用一種特珠的固體硼化劑，在加熱和保溫過程中，經劇烈而又復雜的化學反應產生滲硼氣氛，在工件與滲劑不接觸的情況下實現滲硼。1.4.4滲硼工藝在易磨損零件的應用汽車上有各式各樣的零部件，其零部件在工作中難免會受到磨損，從而產生零件的失效，汽車出現事故等問題。為了解決這樣事情的發(fā)生，可以通過滲硼的方法加工這些受損較多的零件，不僅能降低成本增加效益，還能提升零件的使用性能，采用滲硼的零件并提高零件的耐磨性和使用壽命的應用實例有：（1）采油用整體泵筒。泵筒應用于開采石油井下作業(yè)，所以其工作環(huán)境比較惡劣，因為在實際應用中會遇到石頭和泥漿，其中含有很多的硬質雜粒，這對泵桶的耐磨性要求很高，因此需要有較高的硬度和耐磨性能，為了增強其耐磨性，國內已經采用了選擇45號鋼種通過低溫狀態(tài)下進行滲硼工藝，從而大大提高了表面的耐磨性能，這與我國之前采用的碳氮共滲相比，其使用效果變好了許多，改善了因表面硬度低造成泵筒磨損變形報廢的現象。其使用壽命大大提高。（2）水箱拉絲機的塔輪。作為非常容易受到磨損的零部件，其提高耐磨性和硬度便顯得尤為重要，國內已經有人士采用不同材料進行不同處理的實驗制成了塔輪，并進行了對比分析，結果顯示由45號鋼進行固體滲硼處理要比20Cr滲碳和合金噴涂壽命要長，其耐磨性是噴涂合金的6倍之多。（3）采煤機截齒。它經常用于碎煤或者地道的挖掘工作，其工作環(huán)境極差，常常會出現刀頭脫落、磨損等情況。因此對強度和耐磨性要求較高，可通過滲硼工藝的方法對截齒表面進行處理，獲得較高硬度的滲層，現在國內有一種復合的滲硼工藝，即在傳統的硼元素中添加其它的元素獲得混合的滲層，這樣比傳統的滲硼能獲得更優(yōu)越的性能，壽命大大提高。1.4.5滲硼工藝在模具中的應用.（1）熱作模具滲硼.熱作模具通常包含熱鍛模具和壓鑄模具等，其中熱斷模具尺寸比較大，所以要保證它截面的各個方向位置力學性能要均衡，這就要求要有很高的淬透性能，此外，由于模具熱鍛的時候，會產生高溫，而型腔內需要加冷卻液，這一冷一熱的效應，非常容易使模具疲勞出現裂紋，型腔受損非常嚴重，從而使得這種模具失效。這就要求其導熱性要良好，降低了內外的溫差，防止形成非常大的熱應力，而且其工作環(huán)境非常惡劣，會受到大強度的沖擊性，因此對硬度要求特別高，這也是這種模具開裂的原因之一，為了解決諸如以上這些問題，采用了滲硼處理方法。模具經滲硼后使用壽命提高了3～6倍，這類模具工作溫度高，工作條件基本都是要承受高溫，冷熱疲勞和磨損，經滲硼后使用性能明顯提高。國內已經有很多人士進行了實際零件的熱作模具滲硼處理，都獲得了不錯的反響。（2）冷作模具滲硼冷作模具雖沒有像熱作模具一樣工作在溫度較高的環(huán)境下，但其工作中表面會發(fā)生高頻率的摩擦，這就要求其要有良好的耐磨性。因此可以選擇滲硼處理，提高其表面的硬度和耐磨性能，如果只需要增強表面耐磨，對其他方面要求不高的情況下，可以只對模具采取滲硼處理，因為過多的熱處理工序可能會存在工件的變形或是晶粒粗大等缺陷。如果對基體強度有一定要求，滲硼后還要進行淬火和回火處理，具體情況還要根據實際情況而定。模具滲硼層具有的性能：可以獲得理想的耐磨性和硬度，由于滲層中FeB和Fe2B的存在使得表面硬度大大提高，尤其是FeB的存在，此外不管是滾動磨損還是沖蝕磨損，采取這種工藝方法獲得的表面層耐磨性質要比以往的滲氮或鍍鉻要好的多。模具滲硼后硼化層的耐磨性要比以往的滲氮和鍍鉻要好。耐介質腐蝕性，經這種工藝處理后的工件在硫酸、鹽酸中要比在硝酸中的耐蝕性更加顯著。（3）抗高溫氧化性，經滲硼后的滲層擁有較高好的耐高溫和抗氧化性。可在800℃以下的空氣使用。(4）抗咬合性。滲硼層具有較高的抗咬合性能，與黑色金屬和有色金屬不易產生“咬合”現象。具體應用實例：熱鍛模。工作環(huán)境非常差，由于經常在高溫中使用，并在工作過程中承受很多的沖擊，所以使用壽命大大減少。為了解決這樣的問題，可采用滲硼技術，大大提高了使用周期，使用壽命提高了1倍。降低成本的同時也創(chuàng)造了經濟利益。拉絲模。鎢鋼模中存在硬質合金，這種模的壽命一般不長，這是由于合金Co要比硬質優(yōu)先受到磨損。絲材在通過?？跁r會使得硬質相脫落，導致耐磨性能較差，通過滲硼處理可以顯著提高其耐磨性。（3）冷彎模具。通常應用在汽車零部件上，但由于工作中會受到磨損，會導致零件的失效。為了提高零件的壽命和質量，可以采用滲硼與氰化結合的方式對此種模具進行處理，在通過適當的熱處理手段，可以延長零件的壽命。不僅改善了零件工作中大量磨損的情況，也降低了成本，節(jié)約資源，保證了汽車的正常使用。1.5固體滲硼1.5.1固體滲硼概述固體法滲硼是將需要加工的零部件與事先配制好的硼化劑放入在一個密封的坩堝或是密封效果較好的耐高溫容器中，然后將坩堝或是容器放入加熱爐中加熱至所需要的溫度，保溫幾個小時，這時工件表面會有滲層的出現，以達到強化性能的目的，這就是固體滲硼的技術方法。固體滲硼它的操作設備不需要很多，工序也不麻煩，但是需要較多的勞動量。滲硼后的工件表面呈銀灰色，表示滲硼成功，滲后的硼化劑經過處理可以反復的利用，節(jié)省了資源成本，這也是固體滲硼的一大優(yōu)點，固體滲硼是應用比較多的一種手段。固體滲硼技術在材料工程領域中發(fā)揮了其重要的作用，再很多模具方面的運用都起到了巨大的收益，這為材料領域和社會都帶來了好處和效益。不僅僅在模具方便起到了關鍵作用，這種方法也應用在許多其它工作環(huán)境下，例如在石油開采方向上，采用滲硼技術提高了閥桿和鋼制分離器的性能和壽命。此外，滲硼還應用在泥漿泵鋼套和可鍛鑄鐵制件上，隨著固體滲硼技術日益成熟，其應用越來越廣泛，創(chuàng)造的價值和收益也越來越多。影響固體滲硼效果的參數主要有兩個，分別是滲硼的溫度和保溫時間的長短，當滲硼溫度過低時，可能會存在滲硼的速度非常慢或者無法出現滲層，達不到想要的效果，但經過適當增高溫度可減少滲硼的時間，但溫度不宜過高，當溫度高于1000攝氏度時，滲層變會變得十分不穩(wěn)定，容易脫落，組織疏松。進而影響滲層強度。在設定同樣的溫度時，保溫時間的長短直接影響著滲層的厚度，在一定范圍內滲層會隨著保溫時間的增加而增厚，但超過一定時間，厚度不但不能有效增加，還會影響滲硼效果和組織性能。這勢必會浪費時間和資源，因此選擇合適的溫度和時間便顯得尤為重要。此外，硼化劑的顆粒度也很關鍵，它對滲硼效果的影響也起著至關重要的作用，適當的減小粒度會使?jié)B層厚度增加，但如果顆粒太細，會導致透氣性變低。1.5.2滲硼劑的使用.固體滲硼劑其中主要涉及的成分有碳化硼、硼鐵、硼砂、氟硼酸鉀、碳化硅等。它由供硼劑、活化劑和填充劑組成。硼化劑中的供硼劑現在大部分都是以碳化硼或硼礦鐵為主，他們有各自的特點，碳化硼具有較高的硼化趨勢，成分十分穩(wěn)定，但價格較高；但硼礦鐵硼化趨勢較低，價格卻很低。由于有催滲劑（和催化劑不同，但都能提高滲入速率）的存在，且碳化硼本身有比較高的硼化趨勢，所以滲硼劑中可以少添加碳化硼，以增加效益。雖然碳化硼本身價格昂貴，但是實際需要添加的量并不多，而硼礦鐵則需要添加的量比叫多，所以綜合來看，碳化硼的使用效益更大。最好選擇碳化硼作為固體滲硼劑。催滲劑在滲硼中起了很重要的角色，在參與反應時有物質的消耗，其中催滲劑中的重要組成成分是氟硼酸鉀。盡管平時使用的很多固體滲硼劑是碳化硼或硼鐵合金系列，但由于原料價格昂貴，固體滲硼工藝的普及和實際應用受到一定程度的限制。由于硼砂的低成本所以它一直是液體滲硼的主要原料。最近幾年，硼砂已被研究作為硼源的固體硼化劑，可顯著降低成本，硼砂已經成功應用于耐火磚模具。固體滲硼劑現有粉狀、粒狀和膏狀。其中最佳的選擇是粉狀滲硼劑，采用這種滲劑進行滲硼，不僅活性好，滲硼效率高，在滲硼后，也不需要進行特殊清洗，滲硼零件表面無雜質黏著。減少了仔細清洗的工序，并且這種滲劑成本低廉。現在這種滲劑的應用也變得十分普遍。1.5.3其它元素對滲硼的影響（1）稀土對滲硼層的影響有研究表明，稀土元素的添加會影響滲層的硬度和耐磨性。滲層的硬度與稀土元素的多少呈線性關系，硬度的增加與稀土元素的增加有著必然聯系，但是這種線性關系并不十分陡峭，如果繼續(xù)增多稀土元素反而會降低滲硼層的硬度。組織的變化是硬度變化的核心所在，稀土元素正是改變了滲層的組織才使得硬度發(fā)生改變，適量的稀土可獲得單一的滲層，而過量的稀土會使?jié)B層變得不穩(wěn)定，疏松，從而降低了硬度。也有研究顯示，稀土的存在會提高耐磨性能，使用壽命會比原來提高幾倍，對抗磨粒磨損性能十分有利。（2）微量稀土和鉻對滲硼層的影響微量稀土元素會提高滲層的黏著磨損性能、滲層抗壓強度和承載能力。此外鉻元素的添加可以降低滲層的脆性，大大提高了滲層的穩(wěn)定性，防止脫落。（3）稀土和鈦對滲硼層的影響適量的稀土元素和鈦合金也會對滲硼層有一定的影響。兩者的結合使?jié)B層變得致密，顯著提高滲層的表面硬度，使之具有較高的耐磨性、耐蝕性和熱疲勞性。1.5.4滲硼新工藝（1）自蔓延高溫滲硼這種滲硼工藝方法就是將劇烈的化學反應所產生的熱量，對零件加熱，它釋放的熱量溫度很高，能瞬間產生高溫并急劇加熱。經歷高溫過后使帶有硼元素的硼化劑與零件表面相互滲透，進而在零件表層形成硼化層。這么高的溫度前提下，從一個角度來講滲劑和零件表面會形成滲層。從另外一個角度來講，硼化物與γ-Fe發(fā)生共晶反應在工件表面形成了微溶薄層，致使硼的轉移與擴散都在液相中進行。而且物質在液相中比在固相中的擴散速度快，所以滲硼時間大為縮短，滲硼效率明顯提高，總結來說，自蔓延高溫滲硼共晶化處理可以在極短的時間內在工件表面形成一層厚度均勻的滲硼層，而且可使?jié)B硼層韌性提高、脆性降低，綜合性能得到改善[16]。多元滲硼顧名思義，除了硼元素還需要同時添加其它種類的元素，可以是鉻、釩等與硼共同滲入鋼鐵表面，形成多種化合物層，這種方式獲得的滲層要比單一滲硼具有更加優(yōu)越的使用性能。這種滲硼工藝不同于普通的滲硼，由于添加了多種元素，使獲得的滲層性能要比FeB或Fe2B的硼層更加優(yōu)良，在冷作或者熱作模具鋼上獲得多元的滲層，會延長模具的使用壽命。獲得的經濟效益也大大增加，我國現有的與硼元素共滲的有如下幾種。硼稀土共滲。與單一的硼元素滲層相比，由于稀土的加入，滲層會更加致密，從而增加了強度，硼層脫落性也會減少?，F在這種共滲可以采用固體粉末和鹽浴的方法進行滲硼，其中固體粉末的方法獲得的硼化層要比只有硼元素的滲層更厚，滲層嵌入基體的程度更高，滲層更加致密，強度也大大提升。使用壽命延長了近1倍，通過鹽浴滲硼的與稀土共滲也會獲得較好的性能，提高了耐磨性和韌性。硼釩共滲。顧名思義，打破了傳統的滲硼方式，添加了釩元素實現二元共滲，這種方法在零件表面產生的滲層更加耐磨，硬度較高。通常采用的滲硼方式有固體粉末法和鹽浴法。其中前者共滲的滲層致密，無脆性相，硬度很高。共滲劑主要成分為：粉末狀硼鐵合金，釩鐵合金，氟硼酸鉀，碳化硅等。后者共滲后與前者相比有著一樣的性能提升，只不過這種方式滲硼后的零件表面無需清理，清潔度很高，比較方便，鹽浴的關鍵組分為：硼砂，五氧化二釩。第二章實驗材料及實驗內容2.1研究內容現有一個某模具工廠使用的汽車方向盤的模具沖頭，通過調查可知這是一批來自國外購買的材料，價格非常昂貴，現不知道其具體材料成分。這批模具沖頭已經失效了，通過硬度測試儀等各種檢測工具測出這種材料的心部硬度為52HRC，表層是原材料經過某種表面處理方法形成的，其硬度在770至860HV，根據不同鋼種工藝手冊和相關資料分析，推測其基體材料是42CrMoV，其表層之所以硬度提升可能是通過碳氮共滲、氣體氮化或輝光離子氮化中其中的一種表面處理方法進行處理的。根據分析，氣體氮化工序過于繁瑣，并且C、N共滲溫度要在830攝氏度以上，對于這種型號的鋼材達不到52HRC的心部硬度。由此可以排除這兩種可能，進而推斷這種來自某模具廠使用的模具沖頭其表層是事先經過調質處理，輝光離子氮化過程，將基體淬火并進行高溫回火，通過查閱相關資料分析這種原材料的成分如下表1所示：原材料的元素重量百分比（%）CNSiMoVCrMnFe5.357.481.592.160.798.641.1772.83現在想要替換這種材料，進行不同的處理，來代替42CrMoV的輝光離子氮化工藝，使得獲得相同的性能或是更加優(yōu)異的性能。通過查閱相關資料，滲硼處理可以使材料表面獲得較高的硬度，和一定的耐磨性等優(yōu)良性能，解決有些模具沖頭因實際工作中要受到較大的沖擊硬度不足而產生的斷裂失效、彎曲等情況。故本次實驗選用的6種不同型號的鋼種進行滲硼，從中找出能否有合適的材料來代替原材料，達到理想的性能并可以減少生產成本的目的。2.2固體滲硼實驗滲硼的工藝有很多，如固體滲硼、氣體滲硼、鹽浴滲硼等。本次實驗將采取的是固體滲硼方式進行實驗，是將需要加工的零部件與事先配制好的硼化劑放入在一個密封的坩堝或是密封效果較好的耐高溫容器中，然后將坩堝或是容器放入加熱爐中加熱至所需要的溫度，保溫幾個小時，這時工件表面會有滲層的出現，以達到強化性能的目的，這就是固體滲硼的技術方法。這種方式應用的范圍非常廣泛，相比于氣體滲硼而言，后者雖然滲入速率比較快，但是由于其滲劑是氣體形式存在，由于實驗中產生化學反應，氣氛有毒并有發(fā)生爆炸的危險，對實驗室危害較大，因此不選此種方式。而鹽浴滲硼可能會存在殘存的污垢，不易清理，相比這兩種方法，固體滲硼比較簡單，而且實驗室內的滲劑含有碳化硼，這比大多數用的硼化鐵效果好，碳化硼本身有較高的硼化趨勢，成分也十分穩(wěn)定，而這種固體滲硼劑可進行反復利用，新實驗材料工件較多，這也為實驗室節(jié)約了成本經費，加上本次實驗目的是找出合適的材料來代替42CrMoV模具沖頭，采用同一種滲硼工藝進行定量分析，實驗結果也比較牢靠。2.2.1實驗材料及實驗藥品實驗所選擇的材料如表2所示：實驗材料的重量百分比(%)實驗材料/元素CFeSiNiCrAlMnTi20鋼4.8294.880.3奧氏體不銹鋼70.760.539.3617.810.610.935CrNiMo4.2489.260.773.851.320.5740Cr4.093.750.27≤0.301.00.65Cr12MoV1.5686.490.200.1011.500.1545鋼0.4697.880.66規(guī)格為（20mm*10mm*6mm)，實驗中還用到280目、400目、600目、800目、1000目和1200目等不同型號的砂紙，拋光布，拋光劑，便簽袋、吹風機。滲硼劑，不同直徑大小的坩堝，滲硼坩堝密封用的水玻璃和碳化硅，奧氏體不銹鋼用三氯化鐵腐蝕，其余型號的鋼種用百分之四濃度的硝酸酒精溶液。2.2.2實驗設備實驗過程中使用的實驗設備有：1、金相拋光機PG-2C2、FM700型顯微硬度計3、洛氏硬度計4、RX3-30-13箱式電爐（見圖三）5、金相顯微鏡6、快速磨損試驗機圖a箱式電爐2.2.3實驗工藝流程六種不同材料的滲硼工藝步驟如下：將這六種不同的材料分別進行線切割，每種材料切割成2份，然后分別用280目、400目、600目、800目、1000目和1200目等不同型號的砂紙進行打磨試樣，去除表面的氧化層和鐵銹，打磨至無明顯劃痕即可。用拋光劑和拋光劑進行試樣的拋光處理，并用酒精清洗，以存?zhèn)溆脺蕚鋽祩€坩堝，在坩堝底部填入一部分滲硼劑，分別將不同材料的鋼種放入坩堝內，并填滿滲硼劑，蓋好坩堝，并用鐵絲將坩堝系緊，防止高溫被氧化。制備坩堝密封劑，用水玻璃和碳化硅進行攪拌，攪拌至稀泥狀，然后涂抹至坩堝蓋四周的縫隙，以防空氣雜質的流入。將箱式電阻爐溫度設定為850℃，待溫度穩(wěn)定后，把坩堝用坩堝鉗放入加熱爐中，保溫5個小時，然后取出坩堝空冷至室溫。待坩堝空冷至室溫時，打開坩堝，取出試樣，觀察表面是否滲硼成功。取出試樣后，對試樣表面進行清洗打磨至光滑，用金相顯微鏡、顯微硬度測試儀、洛氏硬度儀進行數據檢測和金相組織的的觀察。進行快速磨損實驗，檢測其性能。2.3組織性能表征2.3.1金相實驗本次實驗應用的是倒置式金相顯微鏡，通過滲硼處理后的樣品依此經過不同型號的砂紙打磨并拋光至光亮無劃痕為止，然后采用該儀器觀察其滲層組織樣貌和基體組織，并測出硼層厚度值，在電腦中存儲實驗照片備份。型號為EOIPHOT300制造商：日本尼康Nikon（見圖b），EPIPHOT300金相顯微鏡主要用于金相組織，涂膜，新型材料，纖維等材料的表面形貌觀察。該儀器使用簡潔方便，不僅可以觀察組織形態(tài)，還可以隨時存儲觀察到的組織照片，不同倍數可以相互調節(jié)，在電腦上可以直接做厚度測量等圖像分析的工作。主要技術特點及主要參數：1、具有敏感長，偏振，DIC微分干涉觀察功能；2、具有明暗場。3、配備Nikon995數碼相機，具有數碼攝影功能，計算機成像與分析系統，也可拍攝圖四金相顯微鏡4X5英寸底片和135mm膠卷。圖b圖b金相顯微鏡5、更加配置了0.8-2.0X的連續(xù)變倍裝置,就是在同樣的物鏡下可以使用更多倍率的觀察；2.3.2維氏硬度實驗圖圖c維氏硬度計本次實驗采用HV-1000型維氏硬度計（見圖c）。維氏硬度計測量原理是反映被測物體對抗另一硬物體壓入的能力，將打磨好的樣品放在載物臺上，調節(jié)好樣品的位置，觀察鏡頭的光點是否在需要觀察位置處，然后選擇加載力，在電腦上單擊加壓，金剛石加壓頭會自動轉動，在試樣表面施加壓力，電腦上會呈現菱形的凹坑，通過測量其對角線，電腦自動生成其顯微硬度值，顯微硬度計算公式如下：有公式：Hv=1854.4P/d2其中：Hv為維氏硬度值，單位kgf/mm2；P為載荷，單位kgf；d是菱形壓痕的對角線長度，單位mm2，該實驗采用的是500倍的放大倍數。2.3.3磨損實驗本實驗采用SKODA快速磨損試驗機，因為最終的目的是要將選擇的材料應用于汽車零件上，所以有必要進行磨損實驗測試，測試其耐磨性能是否可以應用到模具沖頭，磨損試驗是測定材料耐磨能力的一種判定方法，可以通過測量磨損試驗前后工件的質量差來判斷，也有其它的如測體積法、化學分析法等等。本次實驗采取的是測重的方法來判斷這六種型號鋼的磨損量，由于磨損試驗會受到多種因素的影響，如溫度、風速、空氣中的粉塵介質等外界因素，所以應盡可能保持實驗的統一性和定量性，確保可以根據結果進行定量分析。SKODA快速磨損試驗機的主要技術參數有：實驗磨輪外徑Φ30，厚2.5mm；鉗口寬度：80mm；鉗口張開值：80mm；試樣載荷：0.5～20kg；深度測量范圍：2～5mm；轉速：3000rpm。第三章沖頭替換材料的滲硼工藝的研究3.1引言本文采用固體滲硼法對六種不同的材料進行滲硼，滲硼的溫度為850℃，保溫時長5h。然后應用金相顯微、洛氏硬度計、顯微硬度計、快速磨損實驗觀察滲硼后的滲層形貌、組織和性能，并在其中找到能替換原材料的材料。3.2材料滲硼的微觀結構3.2.1滲層的組織下圖所示為六種材料滲硼后的滲層形貌金相圖片，可以觀察到20鋼的硼化層呈鋸齒狀（見圖一），鋸齒尖細且滲層連續(xù)，但不夠致密，滲層前沿獨立齒點較多，存在齒的分叉和斜齒現象，滲硼后的滲層厚度為36、642μm，滲硼層組織主要為FeB，這種鋼屬于優(yōu)質碳素鋼，其強度低，但韌性、塑性比較好；5CrNiMo鋼（見圖二位于圖片上方）具有良好的韌性、強度和高耐磨性，屬熱作模具鋼，其滲硼層為鋸齒狀，鋸齒連續(xù)致密，存在斜齒，滲硼層厚度為50.435μm，滲硼組織為Fe2B；奧氏體不銹鋼指在常溫下具有奧氏體組織的不銹鋼（如圖二位于圖片下方），具有高韌性和塑性，耐晶間腐蝕性能，但強度較低。滲硼后滲層的厚度為14.445μm，滲硼層組織為Fe2B，滲硼層的形貌是光亮的、平坦均勻的，由于不銹鋼中的合金元素較多，尤其是Cr的含量，Cr是碳化物形成元素，弱化了鋸齒的尖端，使?jié)B層形貌變得平坦[21]。圖三為45鋼的滲層組織形貌，可以看到其滲層特別致密平均，硼化物嵌入基體中，結合較為牢固，滲層厚度為37.323μm，由于其滲層致密，所以其耐蝕性非常好，但在硝酸中耐蝕性較差。圖四為40Cr的滲層形貌，滲層呈鋸齒狀，滲層較為連續(xù)，不夠致密，也存在斜齒和交叉齒的情況，滲層厚度平均為33.089μm，滲層組織為Fe2B，如對抗腐蝕性要求較高的工件，此種不適合推薦，因為滲層的致密性決定了抗腐蝕性的優(yōu)異，抗腐蝕性越好，滲層必須要求致密，但從圖中可以看出滲層存在空隙，不是特別致密。圖五為Cr12MoV的滲層組織，可以看到滲層較為致密，呈鋸齒形，但齒形尖端比較平坦，有空洞的存在，這可能與鋼中的含碳量和合金元素有關，因為會抑制硼元素的擴散，其滲層厚度在14.315μm。3.2.2滲硼基體組織下圖為20鋼、5CrNiMo、奧氏體不銹鋼、40Cr、45鋼、Cr12MoV滲硼后滲層下方的基體組織，20鋼（見圖六）的基體組織為鐵素體+珠光體，因為20鋼滲硼層不夠致密，故會使?jié)B硼后的20鋼產生脆性；45鋼為亞共析鋼，（見圖七）滲層下方的基體組織為鐵素體+珠光體，因為其滲層狀態(tài)比較平均致密，其耐蝕性能較好，硼化物牢固的嵌入基體內，其表面硬度提高很多；40Cr為亞共析鋼，（見圖九），從圖中可明顯看到，從過渡區(qū)到基體組織中，其P的含量越來越多。這是因為滲硼中的大部分的C不會熔于硼化物中，都存在于過渡區(qū)，其空冷后基體組織為鐵素體+珠光體的混合物，從圖中可以看到過渡區(qū)的晶粒也比較粗大，經滲硼處理后該型號鋼表面硬度也提高了很多，增強了零件使用性能；5CrNiMo鋼（圖八)是亞共析鋼，滲硼層組織致密，滲硼脆性小，滲硼后具有很高的耐磨性，而且還能成倍的提高壽命。奧氏體不銹鋼（見圖十）基體組織為奧氏體，具有高韌性耐腐蝕能力，但其耐磨性差，滲硼后奧氏體不銹鋼的耐磨性增強，使用壽命也延長[22]。Cr12MoV是一種冷作模具鋼，屬于萊氏體鋼，由于其組織中會存在較多的共晶碳化物。為了要增強其使用性能，可采取滲硼處理的方法改善由于熱處理可能會出現的裂紋等情況。圖六20鋼滲層下方組織圖六20鋼滲層下方組織圖七45鋼滲層下方組織圖八5CrNiMo滲層下方組織圖九（b)40Cr滲層下方組織圖八5CrNiMo滲層下方組織圖九（b)40Cr滲層下方組