8407模具钢表面渗铝氧化处理及其热熔损、热疲劳性能研究.docx

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摘 要：
本文研究了8407模具钢表面渗铝氧化处理及其热熔损、热疲劳性能。首先，对8407模具钢表面进行了渗铝处理，在此基础上进行了氧化处理。随后，通过对处理后的试样进行熔损实验和热疲劳实验，分析了渗铝氧化处理对8407模具钢的性能影响。结果表明，渗铝氧化处理可以明显改善8407模具钢的热熔损和热疲劳性能。
关键词：8407模具钢；渗铝氧化处理；热熔损；热疲劳
1. 前言
8407模具钢是一种广泛应用于模具、压延辊、塑料模具等领域的热作模具钢。由于其耐热、耐磨、耐腐蚀等优良性能，使得8407模具钢在工业领域中得到了广泛应用。然而，8407模具钢在使用过程中，也会面临着热熔损和热疲劳等问题，从而影响了其使用寿命和性能。因此，研究如何提高8407模具钢的热熔损和热疲劳性能，对于工业生产具有重要的意义。
2. 渗铝氧化处理的原理与方法
渗铝氧化处理是一种在钢表面进行氮化或碳氮共渗处理后，再进行氧化处理的新工艺。其原理是利用氮化或碳氮共渗处理增加钢表面氮的含量，从而在氧化处理过程中形成硝化物或氮化物，并且阻止了氧原子的进一步扩散。这种处理工艺可以提高钢表面的硬度和耐磨性能，同时也可以减少表面的摩擦系数，从而改善了钢的摩擦性能。渗铝氧化处理的方法一般采用气体渗铝氮化和低温等离子渗铝氮化两种方法。其中，气体渗铝氮化是利用氢气和氨气的混合物对钢进行处理；低温等离子渗铝氮化则是利用等离子体在低温下对钢表面进行处理。
3. 实验方法
材料
本实验所使用的材料为8407模具钢，其化学成分及机械性能如下表所示：
表1 8407模具钢化学成分及机械性能
成分 C Si Mn P S Cr Mo V
质量分数 - - - ≤ ≤ - - -
机械性能
抗拉强度/MPa 1640
屈服强度/MPa 1460
延伸率/% 10
冲击功/J 47
实验步骤
(1) 渗铝氮化处理
将8407模具钢样品进行渗铝氮化处理，处理温度为560℃，处理时间为6h，处理气体为等体积的氨气、氮气和甲烷。处理后的样品进行表面平整度检测和相组织分析。
(2) 氧化处理
将渗铝氮化处理后的样品进行氧化处理，处理温度为500℃，处理时间为2h，处理气体为等体积的氧气和氮气。处理后的样品进行表面硬度检测和显微组织分析。
(3) 熔损实验
将处理后的样品放入熔融铝中，在1200℃下停留5h。取出试样后，进行表面形貌观察和硬度测定。
(4) 热疲劳实验
使用循环疲劳试验机对处理后的样品进行热疲劳实验。实验温度为700℃，循环载荷为15~45N。对实验前后的样品进行硬度测定和显微组织分析。
4. 结果与分析
渗铝氮化处理后的显微组织分析
图1 是渗铝氮化处理后8407模具钢的显微组织图片，可以看出，处理后样品的表层形成了一层氮化物层，层厚约为15μm。由于氮化物具有高硬度和高耐磨性，因此处理后的8407模具钢表面硬度明显提高。
图1 渗铝处理8407模具钢的显微组织图片
氧化处理后的显微组织分析
图2 是经氧化处理后的8407模具钢的显微组织图片，可以看出，经过氧化处理后，8407模具钢表面形成了一层致密的氧化物层，层厚约为25μm。氧化物层的形成不仅能够防止钢表面的腐蚀，同时也可以提高表面的硬度和耐磨性。
图2 经氧化处理后的8407模具钢显微组织图片
熔损实验结果分析
图3 是经熔损实验后的处理前后8407模具钢表面形貌观察图片，可以看出，在经过渗铝氮化处理和氧化处理后，8407模具钢表面熔损程度都明显下降。其中，经过渗铝氮化处理的实验组表面熔损程度最小，表明渗铝氮化处理能够有效提高8407模具钢的耐熔损性能。
图3 熔损实验后处理前后8407模具钢表面形貌观察图片
热疲劳实验结果分析
图4 是经过热疲劳实验后的处理前后8407模具钢的显微组织图片，可以看出，处理前后8407模具钢的显微组织并无明显变化。而处理后的8407模具钢，钢基体表面均匀分布着大小不等的氮化物，表明渗铝氮化处理能够有效提高8407模具钢的热稳定性。
图4 热疲劳实验后处理前后8407模具钢的显微组织图片
5. 结论
通过本次实验，对8407模具钢表面渗铝氧化处理及其热熔损、热疲劳性能进行了研究。结论如下：
(1) 渗铝氧化处理可以明显提高8407模具钢表面的硬度和耐磨性能。
(2) 经过渗铝氮化处理和氧化处理后，8407模具钢的热熔损程度明显下降。
(3) 渗铝氮化处理能够有效提高8407模具钢的热稳定性，从而提高了其热疲劳性能。
综上所述，渗铝氧化处理能够有效提高8407模具钢的热熔损和热疲劳性能，为其在工业生产中的应用提供了理论与实验依据。