稀土复合渗技术在轮胎模具中的应用(2)

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-27 原文发表:2007-06-27 人气:1

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为保证上述工艺参数的实施，自行设计制造大型强韧化处理炉，炉膛尺寸为：∮2000mm×l360mm，空炉时由室温升至临界温度Ac1的时间为35min。
图1为S45C钢强韧化处理后的显微组织，组织为粒状珠光体及铁素体，晶粒度10~12级，晶粒直径∮5-∮10μm，硬度200-230HBS。

3 稀土复合渗表面强化处理

轮胎模具的工作条件是受腐蚀性气体的化学腐蚀、受热、受压力、受磨擦，要求模具型腔表面光滑、美观，其轻度的磨损和表面形态的恶化将造成模具失效。对轮胎模具进行表面强化处理的目的是在基体原有性能的基础上在其表面再赋予新的性能，使工件表面耐腐蚀、耐磨损、耐热疲劳、抗粘附、抗热咬合，并且适宜多次修整。因此，稀土复合渗表面强化处理是使模具表面获得不同于基体材料的组织及性能的一种技术，经表面强化处理后，达到模具表面改性的目的，既能发挥基体材料的力学性能，又能使模具表面获得各项新的性能，并能掩盖基体材料表面的缺陷，延长轮胎模具使用寿命。

稀土复合渗是在气体加氧软氮化的基础上发展的表面改性技术。众所周知，气体软氮化及气体加氧软氮化是广为应用的工艺技术，气体软氮化是低温氮碳共渗的过程，氮(化层由化合物层及扩散层组成。x射线结构分析表明化合物层是ε-Fe2-3(N.C)的单相层，其厚度仅为2-15μm，无法承受较大的接触应力负荷，在腐蚀性气体工作条件下的耐蚀性能也有待提高；气体加氧软氮化是在气体软氮化基础上添加少量氧气或空气的工艺，氧的加入提高了氪原子的活性，使ε-相层厚度增加，并在最外层形成由Fe3O4和FeO3构成的氧化膜，提高了模具表面的防锈抗蚀性，但存在着氮化温度略高及渗氮速度略慢的缺点。

图2为S45C钢气体加氧软氮化后的金相组织，白亮层为ε-Fe2-3(N.C)单相层，厚度10-25μm。

为提高渗速、节能和强化轮胎模具的表面性能，研究开发了稀土复合渗工艺技术，自主设计制造大型稀土复合渗表面强化处理设备，对轮胎模具大型零部件实施稀土复合渗表面强化处理。

20世纪80年代，我国开始对稀土化学热处理开展研究，20年的开发和实践，形成了“稀上共渗技术”。实践证明，由于稀上元素特殊的原子结构和活性，稀土元素不仅能渗入钢的表面，而且能在表面层中形成一定的浓度梯度。“稀土共渗技术”的优异特性主要有4个方面：

(1)稀土元素在化学热处理过程中起到催渗和微合金化双重作用，使工艺过程明显加快，渗速叫提高20%-25%。
(2)改善渗层组织结构和性能，由于稀土原子比铁原子大，其渗入引起点阵畸变，使间隙原子在畸变区富巢，成为化合物的成核核心，析出弥散分布的化合物，使渗层组织细化，改善渗层性能。
(3)稀土元素对基材的净化作用，改善了化合物中夹杂的形态和分布．提高了渗层的韧性，并在一定程度提高了渗层的耐蚀性和耐磨性。
(4)La和Ce均可扩散进入模具的表面并作远程扩散，形成稀土化合物和金属间化合物，产生微合金化的作用，达到表面改性强化的目的。

综合上述，稀土共渗技术除了提高渗速，还对模具表面起到强化、硬化和滑化的作用。降低表面摩擦系数，提高表面抗腐蚀性能和抗氧化性能，从而有效地提高轮胎模具的使用性能和延长使用寿命。巨轮公司自主研制了大型表面强化处理设备，对轮胎模具进行稀土复合渗表面强化处理，产品在轮胎厂的硫化机上实际应用，证实了经过稀土复合渗表面强化处理的轮胎模只具有优异的机械性能和化学性能，特别是在160　的酸性腐蚀性气氛中显示良好的耐蚀性能。

左面强化处理设备整体系统包括设备主体部分、电器及温度自控系统、渗剂及稀土有机溶剂输送系统、气氛测试系统等。设备主体部份的炉衬结构，为实现节能的目的，采用容重<1.0g/cm3的轻质砖及硅酸铝耐火纤维等新刑保漏材料，降低散热损失和蓄热损失，可节能20％以上。温度自控系统采用WP-LCD-R智能化大屏幕液晶显示记录仪，实现分段式的温度自动控制，应用数据压缩技术，能存储最长达365天的测量数据。渗入元索输送系统均采用各种仪器实现量化控制。气氛测试系统能完成各种参数的实时测试以便及时进行调控。实践证明，表面强化处理设备各项使用性能达到设计预期，与同类型化学热处理设备比较，节能40％以上。

稀土复合渗工艺是Rc-O-N-C 4种元素同时渗入模具表面的过程。稀土的渗入在热力学上是一个自发的过程，稀土元素进入工件表层并留存于特定的地方，从而对其他元素渗入的过程速率、表层成分和组织产生相应影响，而N、C、O均是能与钢铁材料形成化合物的元素，当几种元素同时渗入工件表层时，涉及到多元吸咐和多元扩散的问题，渗层组织和形成过程相当复杂，凡扩散激活能较高、扩散系数较小的组元与另一扩散系数较大的组元共同扩散时，则前一组元的扩散将被加快，而后一种组元的扩散却将减慢，达到共同渗入的目的。

稀土复合渗的关键在于稀土渗剂及其配制方法符合要求。现代化学热处理必须保证工艺过程及工艺介质具备下列特点：很好的结果重现性；无公害；良好的经济性。基于上述考虑，在进行Re-O-N-C复合渗时，采用NH3作为供氮剂，纯O2作为供氧剂，C2H5OH作为供碳剂，而供稀土剂则采用稀土元素La和Ce溶入相应有机溶剂中而成。将上述渗剂及稀土有机溶剂通过输送系统进入设备主体部份，实现稀土复合渗表面强化处理。资料表明，在相同的化学热处理条件下，稀土元素的添加可使渗速提高20%以上。因此，在制定轮胎模具的稀土复合渗工艺曲线时，从减少变形及节能的角度出发，采用了550°共渗4-6h的新工艺，共渗后继续供NH3，降温至450℃，然后油冷，这种快冷的工艺对渗层硬度、韧性及抗蚀性能均有良好的影响。稀土复合渗处理后的轮胎模具表面呈有光泽的灰兰色。

图3为S45C钢经过稀土复合渗表面强化处理后的显微组织，工件由表及里显示的金相组织依次为：氧化膜--白亮层化合物--扩散层--次扩散层-基体组织。吸咐性氧化膜只有防锈抗蚀性能；白亮层是多种元素化合物的ε相层，结构致密的ε相层具有耐磨、耐蚀、抗咬合等优良性能且不呈脆性，稀土元素提高了ε相层的塑性和韧性、抗大气腐蚀能力和对弱酸的耐蚀性，这对于在酸性气氛服役条件下的轮胎模具有着重要意义；扩散层主要由γ'＋γ相层组成，γ相是多种元素在γ-Fe中的间隙固溶体，γ'相是有序面心立方点阵的间隙相，具有较高硬度和韧性。这种较高硬度使ε相层有着坚实的基础；次扩散层主要由γ＋σ相构成，σ相是多种元素在σ-Fe中的间隙固溶体，稀土复合渗后在快冷过程中γ相转变为以含氮为上的马氏体，提高了次扩散层的硬度；心部是模具材料预先热处理后的原始组织。显然，由于稀土元素的作用使渗层厚度明显增加。

在生产实践中，经稀土复合渗表面强化处理的轮胎模具实际使用效果表明，采用国产碳素塑料模具钢或低合金塑料模具钢制造的轮胎模具通过预先强韧化处理及最终的左面强化处理后，可以取代昂贵的高合金精密塑料模具钢，从而提升了巨轮公司轮胎模具的性价比优势，增强了市场竞争力。

4 结束语

(1)强韧化预先热处理的实质是细化晶粒，钢的强度和韧性通过减少显微组织小的晶粒尺寸而得到改善。强韧化处理使轮胎模具基体具备综合机械性能。同时，细小的晶粒度必然增加相界面，为随后的表而强化处理提供了更好的渗入条件。
(2)稀土元素在表面强化处理过程中起到催渗和微合金化双重作用，对提高渗速、改善轮胎模具表面微观组织及力学性能和化学性能有着重要的作用。
(3)稀土复合渗表面改性技术在轮胎模具中的应用，提高了模具的使用性能和工作寿命，通过强韧化预先热处理和最后的表面强化处理，达到采用国产优质塑料模具钢替代昂贵的精密塑料模具钢制造轮胎模具的目的。
(4)稀土复合渗是一种兼具先进性和经济性的表面强化技术，除轮胎模具以外，在橡胶塑料模具领域，同样有着广阔的应用前景。
(5)稀土复合渗技术在轮胎模具中的应用只是强化模具表面性能研究工作的一个平台，还有着进一步提升的发展空间，下一步将研发更复杂元索渗入的表面改性技术。

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