M2高速鋼表面脈沖爆炸-等離子體改性后的組織結(jié)構(gòu)及性能

  脈沖爆炸-等離子體(PDT)技術(shù)是一種利用混合燃燒氣體爆炸、并通過(guò)脈沖高壓放電的形式,使難熔金屬電極尖端熔融氣化形成脈沖等離子體的表面改性技術(shù),具有高能量、高密度、高速度等特性。脈沖等離子在爆炸沖擊波的推動(dòng)作用下轟擊材料表面,表面將發(fā)生快速升溫(107K/s)和急速冷卻(108K/s)過(guò)程,在快速升溫過(guò)程中,表面熔融氣化與等離子體發(fā)生合金化反應(yīng);在急速冷卻過(guò)程中,由于晶粒還來(lái)不及長(zhǎng)大,表面將會(huì)形成微晶、納米晶、非晶、亞穩(wěn)態(tài)固溶體等,可以提高材料的表面硬度、改善其耐磨性及耐蝕性能,從而有效提高工件的使用壽命。該技術(shù)還具有能量轉(zhuǎn)換效率高、強(qiáng)化效率大(30mm2/s)、不用進(jìn)行工件表面清洗和預(yù)處理等復(fù)雜的前處理工序、工藝簡(jiǎn)單穩(wěn)定等特點(diǎn),有良好的工業(yè)化應(yīng)用前景。

  高速鋼具有硬度高、耐磨性高、紅硬性良好等性能,被廣泛應(yīng)用于制造各種切削工具、精密模具、采礦工具等。現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展對(duì)高速鋼工模具提出了更高的要求,通過(guò)表面改性來(lái)提高高速鋼工模具產(chǎn)品使用壽命是一種行之有效的方法。某應(yīng)用物理研究所研究人員首次引進(jìn)國(guó)外技術(shù),利用PDT技術(shù)對(duì)M2高速鋼進(jìn)行表面改性處理,研究PDT技術(shù)對(duì)M2高速鋼表面組織和性能的影響,相關(guān)結(jié)果可為PDT技術(shù)在高速鋼工模具表面改性領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

  基材為M2高速鋼,首先在1230℃下淬火,再經(jīng)560℃3次回火,其洛氏硬度達(dá)63HRC,然后切割成12.0mm×12.0mm×19.0mm的塊狀試樣和外徑為31.7mm、內(nèi)徑為16.0mm、厚度為10.0mm的圓環(huán)試樣。利用自制的PDT裝置對(duì)M2高速鋼進(jìn)行表面改性處理,結(jié)果表明:

 ?。?)M2高速鋼經(jīng)PDT處理后,試樣表面形貌發(fā)生改變,形成平均厚度為8.9μm的改性層,改性層組織細(xì)小致密,碳化物顆粒細(xì)小且分布均勻,在表層發(fā)生馬氏體α'-Fe向奧氏體γ-Fe的相轉(zhuǎn)變過(guò)程,奧氏體含量隨著脈沖次數(shù)的增加而增加。

 ?。?)由于PDT處理過(guò)程中的爆炸沖擊作用,材料發(fā)生塑性變形,產(chǎn)生大量的位錯(cuò)等缺陷,試樣表面在PDT處理過(guò)程中也出現(xiàn)了晶粒細(xì)化,這些都使得PDT試樣表層在100μm深度范圍內(nèi)的顯微硬度得以提高。

  (3)PDT處理能明顯改善M2高速鋼的耐磨性能和耐蝕性能。隨著PDT處理脈沖個(gè)數(shù)的增加,試樣耐磨性能逐漸提高,這主要?dú)w因于晶粒細(xì)化和形變強(qiáng)化引起的硬度提高。M2高速鋼經(jīng)PDT處理后,其表面組織發(fā)生轉(zhuǎn)變且有W離子滲入,從而改善了其耐蝕性能。