稀土复合渗技术在轮胎模具中的应用

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稀土复合渗技术在轮胎模具中的应用
> [摘要]采用强韧化预先热处理新工艺及稀土复合渗的表面强化新技术，使轮胎棋具的服役性能和使用寿命大大提高，轮胎模具的表面性能也明显提高，达到了模具微变形、环保节能的目的。
关键词 轮胎模具 强韧化处理 稀土复合渗 表面强化

1 前言
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轮胎模具在近10年获得了高速发展，从上世纪80年代成功研制第一批子午线轮胎活络模具开始，我国轮胎模具制造技术日趋成熟。进入21世纪，随着我国汽车制造业的迅猛崛起，轮胎模具制造业更面临前所未有的发展机遇。
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! b- @- P7 R# D7 T- P+ i提高轮胎模具的工作性能和使用寿命，为轮胎下业提供更优质业经济的轮胎模具，创造更好的社会效益和经济效益，是轮胎模具制造业一直追求的目标。
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轮胎模具选用材料及具热处取、表面强化处理是影响轮胎棋具什能和寿命诸因素中的主要因索。巨轮公司制造的轮胎校具采用国产优质塑料模具钢，保证了原材料的高致密度和高纯净度。在此基础上，设计制造强韧化热处理炉，应用先进的强韧化热处理工艺，根据细晶强化机理，获得显微组织的细晶粒度，使轮胎模具整体具有良好的综合力学性能，并为最终的模具表面强化处理提供理想的金相组织。稀土复合渗表面强化上艺在自行研制的表面强化处理设备中进行，对轮胎模具型腔部份及主要结构零部件实现Re-O-N-C四元索复合渗处理下艺，达到模具表面改性的口的，使其具有良好的耐磨、耐腐蚀、抗擦伤、抗咬合及耐疲劳性能，特别是显著提高轮胎模具在轮胎硫化过程中的耐腐蚀性能。
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9 C2 H& r) W3 h0 p8 T实践证明，通过上述热处理及表面强化处理技术，可以采用碳素塑料模具钢(S45C、S50C)及低合金塑料模具钢(35CrMo，40Cr)取代昂贵的精密塑料模具钢(P20、718、2738)，制造出在服役条件下具有良好使用性能和长寿命的轮胎模具，从而降低轮胎模具制造成本，提高国产轮胎模具的市场竞争力。

2 强韧化预先热处理工艺
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轮胎模具的服役条件比较恶劣，特别是子午线轮胎活络模具型腔及主要零部件长期处于160°的腐蚀性工作环境，承受各种复杂应力的作用。因此，轮胎模具要求其基体具有高的强韧性和其他良好的力学性能，而其表面应具有优异的耐磨性、耐蚀性和抗咬合性，模具基体的强韧性通过预先热处理工艺获得，这种特定的预先热处理工艺使模具得到均匀的细晶粒显微结构，从而具有高的强度和韧性，并改善切削性能，为模具最后的表面强化处理提供良好的金相组织。
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强韧化处理的机理是细晶强化。模具钢构显微结构的品粒度对钢的强度和韧性均有影响，细小球状的碳化物及小的碳化物间距，在提高机械强度的同时提高了零部件的韧性，在复杂应力作用下不易开裂，轮胎模具毛坯经过强韧化处理斤，获得尺寸为(5-10)μm晶粒度为10-12级的细小晶粒，从而使模具基体的强韧性明显提高。此外，细小的晶粒度必然使相界面显苫增加，为稀土复合渗工艺提供了更好的渗入条件。模具强韧化处理后布氏硬度为200—230HB，具有良好的切削加工性。
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5 I' y' N+ T+ ?, j1 r强韧化处理工艺参数控制包括加热速度、加热温度、保温时间及适当的冷却速度等因素。快速加热是实现强韧化处理的关键，轮胎模具在快业加热时奥氏体的形成同样是形核和核心的长大过程，奥氏体的形核需要形核功，圳热速度快，形核功降低，形核且增加，提高形核率，有助于晶粒细化。同时，快速加热时上件内外的温度梯度所产生的应力引起位错的滑移和攀移，造成的大星空位促进了形核和核心的长大过程。但过快的加热速度将造成碳化物溶解来不及完成，使奥氏体成分不均匀，影响模具的抗蚀性，这一点对于在腐蚀性气氛工作条件下的轮胎模具尤应注意。轮胎模具强韧化处理加热温度及保温时间同样是影响晶粒度的重要参数，加热温度提高，将使晶粒成长速度加快。根据奥氏体形成机理，在钢逐步加热到临界点Ac1：的过程中，部分渗碳体按极限溶解度溶入铁素体，当温度达到Ac1时，奥氏体在铁素体—碳化物边界成核，奥氏体的形核率相高。在稍高于Ac1，形成具有奥氏体晶粒的原子排列起伏，即临界尺寸的奥氏体晶粒，初始形成的奥氏体品粒很细。随着加热温度的进一步提高，则只有奥氏体晶粒的长大，而无新晶粒的产生。因此，加热温度以稍高于Ac1为宜。确定保温时间的依据足使模具整体达到相变温度并实现奥氏体成分均匀化，由于新产生的奥氏体晶粒小碳含量不均匀，在碳浓度梯度影响下，发生奥氏体中碳原子从原渗碳体区向铁索体区的扩散，这种扩散的另一个结果是造成奥氏体晶粒的扩大。显然，过长的保温时间必然影响晶粒细化，为使奥氏体成分均匀化而又不致造成晶粒粗化，必须根据加热速度、加热温度、工件形状及大小、装炉量等绪多因素通过试验确定最佳保温时间。轮胎模具预先热处理应以获得细小粒状珠光体为目的，粒状珠光体具有良好的切削性能。同时，粒状珠光体比片状珠光体的强度和硬度较低而塑性韧性较好，粒状珠光体的形成条件是加热时贝氏体化温度较低、冷却时过冷度较小，为获得具有较高强度和硬度的粒状珠光体，轮胎模具加热保温后用压缩牛气进行强制性风冷，以提高冷却速度，降低过冷度，取得明显效果。

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。
" Q( T) u1 C$ T4 j3 |# v# E* v$ m% h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
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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。

) a* C- a: S- D: g: N7 n) @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。
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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。
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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：
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3 V- t) X8 g( w3 Y$ i(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%。
3 ~% ^. ]7 _2 m/ d( ]  r(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。
" E3 q$ j8 F. }5 C2 v(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。
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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。

# o( B6 F& ?3 v6 N8 R4 b5 O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。
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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。

: V$ Y/ K9 [3 r8 d$ F4 结束语

4 K! F( P+ `' A  a(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。
1 N$ o& s' j& m  n) c(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。
/ S( N4 c% ?" W5 a3 v' ~- x6 G! a(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。