[摘要]
采用強韌化預(yù)先熱處理新工藝及稀土復(fù)合滲的表面強化新技術(shù)，使輪胎棋具的服役性能和使用壽命大大提高，輪胎模具的表面性能也明顯提高，達到了模具微變形、環(huán)保節(jié)能的目的。
1 前言
輪胎模具在近10年獲得了高速發(fā)展，從上世紀80年代成功研制第一批子午線輪胎活絡(luò)模具開始，我國輪胎模具制造技術(shù)日趨成熟。進入21世紀，隨著我國汽車制造業(yè)的迅猛崛起，輪胎模具制造業(yè)更面臨前所未有的發(fā)展機遇。
提高輪胎模具的工作性能和使用壽命，為輪胎下業(yè)提供更優(yōu)質(zhì)業(yè)經(jīng)濟的輪胎模具，創(chuàng)造更好的社會效益和經(jīng)濟效益，是輪胎模具制造業(yè)一直追求的目標。輪胎模具選用材料及具熱處取、表面強化處理是影響輪胎棋具什能和壽命諸因素中的主要因索。巨輪公司制造的輪胎校具采用國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)塑料模具鋼，保證了原材料的高致密度和高純凈度。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計制造強韌化熱處理爐，應(yīng)用先進的強韌化熱處理工藝，根據(jù)細晶強化機理，獲得顯微組織的細晶粒度，使輪胎模具整體具有良好的綜合力學(xué)性能，并為最終的模具表面強化處理提供理想的金相組織。稀土復(fù)合滲表面強化上藝在自行研制的表面強化處理設(shè)備中進行，對輪胎模具型腔部份及主要結(jié)構(gòu)零部件實現(xiàn)Re-O-N-C四元索復(fù)合滲處理下藝，達到模具表面改性的口的，使其具有良好的耐磨、耐腐蝕、抗擦傷、抗咬合及耐疲勞性能，特別是顯著提高輪胎模具在輪胎硫化過程中的耐腐蝕性能。
實踐證明，通過上述熱處理及表面強化處理技術(shù)，可以采用碳素塑料模具鋼(S45C、S50C)及低合金塑料模具鋼(35CrMo，40Cr)取代昂貴的精密塑料模具鋼(P20、718、2738)，制造出在服役條件下具有良好使用性能和長壽命的輪胎模具，從而降低輪胎模具制造成本，提高國產(chǎn)輪胎模具的市場競爭力。
2 強韌化預(yù)先熱處理工藝
輪胎模具的服役條件比較惡劣，特別是子午線輪胎活絡(luò)模具型腔及主要零部件長期處于160°的腐蝕性工作環(huán)境，承受各種復(fù)雜應(yīng)力的作用。因此，輪胎模具要求其基體具有高的強韌性和其他良好的力學(xué)性能，而其表面應(yīng)具有優(yōu)異的耐磨性、耐蝕性和抗咬合性，模具基體的強韌性通過預(yù)先熱處理工藝獲得，這種特定的預(yù)先熱處理工藝使模具得到均勻的細晶粒顯微結(jié)構(gòu)，從而具有高的強度和韌性，并改善切削性能，為模具最后的表面強化處理提供良好的金相組織。
強韌化處理的機理是細晶強化。模具鋼構(gòu)顯微結(jié)構(gòu)的品粒度對鋼的強度和韌性均有影響，細小球狀的碳化物及小的碳化物間距，在提高機械強度的同時提高了零部件的韌性，在復(fù)雜應(yīng)力作用下不易開裂，輪胎模具毛坯經(jīng)過強韌化處理斤，獲得尺寸為(5-10)μm晶粒度為10-12級的細小晶粒，從而使模具基體的強韌性明顯提高。此外，細小的晶粒度必然使相界面顯苫增加，為稀土復(fù)合滲工藝提供了更好的滲入條件。模具強韌化處理后布氏硬度為200—230HB，具有良好的切削加工性。
強韌化處理工藝參數(shù)控制包括加熱速度、加熱溫度、保溫時間及適當(dāng)?shù)睦鋮s速度等因素。快速加熱是實現(xiàn)強韌化處理的關(guān)鍵，輪胎模具在快業(yè)加熱時奧氏體的形成同樣是形核和核心的長大過程，奧氏體的形核需要形核功，圳熱速度快，形核功降低，形核且增加，提高形核率，有助于晶粒細化。同時，快速加熱時上件內(nèi)外的溫度梯度所產(chǎn)生的應(yīng)力引起位錯的滑移和攀移，造成的大星空位促進了形核和核心的長大過程。但過快的加熱速度將造成碳化物溶解來不及完成，使奧氏體成分不均勻，影響模具的抗蝕性，這一點對于在腐蝕性氣氛工作條件下的輪胎模具尤應(yīng)注意。輪胎模具強韌化處理加熱溫度及保溫時間同樣是影響晶粒度的重要參數(shù)，加熱溫度提高，將使晶粒成長速度加快。根據(jù)奧氏體形成機理，在鋼逐步加熱到臨界點Ac1：的過程中，部分滲碳體按極限溶解度溶入鐵素體，當(dāng)溫度達到Ac1時，奧氏體在鐵素體—碳化物邊界成核，奧氏體的形核率相高。在稍高于Ac1，形成具有奧氏體晶粒的原子排列起伏，即臨界尺寸的奧氏體晶粒，初始形成的奧氏體品粒很細。隨著加熱溫度的進一步提高，則只有奧氏體晶粒的長大，而無新晶粒的產(chǎn)生。因此，加熱溫度以稍高于Ac1為宜。確定保溫時間的依據(jù)足使模具整體達到相變溫度并實現(xiàn)奧氏體成分均勻化，由于新產(chǎn)生的奧氏體晶粒小碳含量不均勻，在碳濃度梯度影響下，發(fā)生奧氏體中碳原子從原滲碳體區(qū)向鐵索體區(qū)的擴散，這種擴散的另一個結(jié)果是造成奧氏體晶粒的擴大。顯然，過長的保溫時間必然影響晶粒細化，為使奧氏體成分均勻化而又不致造成晶粒粗化，必須根據(jù)加熱速度、加熱溫度、工件形狀及大小、裝爐量等緒多因素通過試驗確定最佳保溫時間。輪胎模具預(yù)先熱處理應(yīng)以獲得細小粒狀珠光體為目的，粒狀珠光體具有良好的切削性能。同時，粒狀珠光體比片狀珠光體的強度和硬度較低而塑性韌性較好，粒狀珠光體的形成條件是加熱時貝氏體化溫度較低、冷卻時過冷度較小，為獲得具有較高強度和硬度的粒狀珠光體，輪胎模具加熱保溫后用壓縮牛氣進行強制性風(fēng)冷，以提高冷卻速度，降低過冷度，取得明顯效果。
為保證上述工藝參數(shù)的實施，自行設(shè)計制造大型強韌化處理爐，爐膛尺寸為：∮2000mm×l360mm，空爐時由室溫升至臨界溫度Ac1的時間為35min。
圖1為S45C鋼強韌化處理后的顯微組織，組織為粒狀珠光體及鐵素體，晶粒度10~12級，晶粒直徑∮5-∮10μm，硬度200-230HBS。
3 稀土復(fù)合滲表面強化處理
輪胎模具的工作條件是受腐蝕性氣體的化學(xué)腐蝕、受熱、受壓力、受磨擦，要求模具型腔表面光滑、美觀，其輕度的磨損和表面形態(tài)的惡化將造成模具失效。對輪胎模具進行表面強化處理的目的是在基體原有性能的基礎(chǔ)上在其表面再賦予新的性能，使工件表面耐腐蝕、耐磨損、耐熱疲勞、抗粘附、抗熱咬合，并且適宜多次修整。因此，稀土復(fù)合滲表面強化處理是使模具表面獲得不同于基體材料的組織及性能的一種技術(shù)，經(jīng)表面強化處理后，達到模具表面改性的目的，既能發(fā)揮基體材料的力學(xué)性能，又能使模具表面獲得各項新的性能，并能掩蓋基體材料表面的缺陷，延長輪胎模具使用壽命。
稀土復(fù)合滲是在氣體加氧軟氮化的基礎(chǔ)上發(fā)展的表面改性技術(shù)。眾所周知，氣體軟氮化及氣體加氧軟氮化是廣為應(yīng)用的工藝技術(shù)，氣體軟氮化是低溫氮碳共滲的過程，氮(化層由化合物層及擴散層組成。x射線結(jié)構(gòu)分析表明化合物層是ε-Fe2-3(N.C)的單相層，其厚度僅為2-15μm，無法承受較大的接觸應(yīng)力負荷，在腐蝕性氣體工作條件下的耐蝕性能也有待提高；氣體加氧軟氮化是在氣體軟氮化基礎(chǔ)上添加少量氧氣或空氣的工藝，氧的加入提高了氪原子的活性，使ε-相層厚度增加，并在最外層形成由Fe3O4和FeO3構(gòu)成的氧化膜，提高了模具表面的防銹抗蝕性，但存在著氮化溫度略高及滲氮速度略慢的缺點。
圖2為S45C鋼氣體加氧軟氮化后的金相組織，白亮層為ε-Fe2-3(N.C)單相層，厚度10-25μm。
為提高滲速、節(jié)能和強化輪胎模具的表面性能，研究開發(fā)了稀土復(fù)合滲工藝技術(shù)，自主設(shè)計制造大型稀土復(fù)合滲表面強化處理設(shè)備，對輪胎模具大型零部件實施稀土復(fù)合滲表面強化處理。
20世紀80年代，我國開始對稀土化學(xué)熱處理開展研究，20年的開發(fā)和實踐，形成了“稀上共滲技術(shù)”。實踐證明，由于稀上元素特殊的原子結(jié)構(gòu)和活性，稀土元素不僅能滲入鋼的表面，而且能在表面層中形成一定的濃度梯度?！跋⊥凉矟B技術(shù)”的優(yōu)異特性主要有4個方面：
(1)稀土元素在化學(xué)熱處理過程中起到催滲和微合金化雙重作用，使工藝過程明顯加快，滲速叫提高20%-25%。
(2)改善滲層組織結(jié)構(gòu)和性能，由于稀土原子比鐵原子大，其滲入引起點陣畸變，使間隙原子在畸變區(qū)富巢，成為化合物的成核核心，析出彌散分布的化合物，使?jié)B層組織細化，改善滲層性能。
(3)稀土元素對基材的凈化作用，改善了化合物中夾雜的形態(tài)和分布．提高了滲層的韌性，并在一定程度提高了滲層的耐蝕性和耐磨性。
(4)La和Ce均可擴散進入模具的表面并作遠程擴散，形成稀土化合物和金屬間化合物，產(chǎn)生微合金化的作用，達到表面改性強化的目的。
綜合上述，稀土共滲技術(shù)除了提高滲速，還對模具表面起到強化、硬化和滑化的作用。降低表面摩擦系數(shù)，提高表面抗腐蝕性能和抗氧化性能，從而有效地提高輪胎模具的使用性能和延長使用壽命。巨輪公司自主研制了大型表面強化處理設(shè)備，對輪胎模具進行稀土復(fù)合滲表面強化處理，產(chǎn)品在輪胎廠的硫化機上實際應(yīng)用，證實了經(jīng)過稀土復(fù)合滲表面強化處理的輪胎模只具有優(yōu)異的機械性能和化學(xué)性能，特別是在160 的酸性腐蝕性氣氛中顯示良好的耐蝕性能。
左面強化處理設(shè)備整體系統(tǒng)包括設(shè)備主體部分、電器及溫度自控系統(tǒng)、滲劑及稀土有機溶劑輸送系統(tǒng)、氣氛測試系統(tǒng)等。設(shè)備主體部份的爐襯結(jié)構(gòu)，為實現(xiàn)節(jié)能的目的，采用容重<1.0g/cm3的輕質(zhì)磚及硅酸鋁耐火纖維等新刑保漏材料，降低散熱損失和蓄熱損失，可節(jié)能20％以上。溫度自控系統(tǒng)采用WP-LCD-R智能化大屏幕液晶顯示記錄儀，實現(xiàn)分段式的溫度自動控制，應(yīng)用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，能存儲最長達365天的測量數(shù)據(jù)。滲入元索輸送系統(tǒng)均采用各種儀器實現(xiàn)量化控制。氣氛測試系統(tǒng)能完成各種參數(shù)的實時測試以便及時進行調(diào)控。實踐證明，表面強化處理設(shè)備各項使用性能達到設(shè)計預(yù)期，與同類型化學(xué)熱處理設(shè)備比較，節(jié)能40％以上。
稀土復(fù)合滲工藝是Rc-O-N-C 4種元素同時滲入模具表面的過程。稀土的滲入在熱力學(xué)上是一個自發(fā)的過程，稀土元素進入工件表層并留存于特定的地方，從而對其他元素滲入的過程速率、表層成分和組織產(chǎn)生相應(yīng)影響，而N、C、O均是能與鋼鐵材料形成化合物的元素，當(dāng)幾種元素同時滲入工件表層時，涉及到多元吸咐和多元擴散的問題，滲層組織和形成過程相當(dāng)復(fù)雜，凡擴散激活能較高、擴散系數(shù)較小的組元與另一擴散系數(shù)較大的組元共同擴散時，則前一組元的擴散將被加快，而后一種組元的擴散卻將減慢，達到共同滲入的目的。
稀土復(fù)合滲的關(guān)鍵在于稀土滲劑及其配制方法符合要求?，F(xiàn)代化學(xué)熱處理必須保證工藝過程及工藝介質(zhì)具備下列特點：很好的結(jié)果重現(xiàn)性；無公害；良好的經(jīng)濟性?；谏鲜隹紤]，在進行Re-O-N-C復(fù)合滲時，采用NH3作為供氮劑，純O2作為供氧劑，C2H5OH作為供碳劑，而供稀土劑則采用稀土元素La和Ce溶入相應(yīng)有機溶劑中而成。將上述滲劑及稀土有機溶劑通過輸送系統(tǒng)進入設(shè)備主體部份，實現(xiàn)稀土復(fù)合滲表面強化處理。資料表明，在相同的化學(xué)熱處理條件下，稀土元素的添加可使?jié)B速提高20%以上。因此，在制定輪胎模具的稀土復(fù)合滲工藝曲線時，從減少變形及節(jié)能的角度出發(fā)，采用了550°共滲4-6h的新工藝，共滲后繼續(xù)供NH3，降溫至450℃，然后油冷，這種快冷的工藝對滲層硬度、韌性及抗蝕性能均有良好的影響。稀土復(fù)合滲處理后的輪胎模具表面呈有光澤的灰蘭色。
圖3為S45C鋼經(jīng)過稀土復(fù)合滲表面強化處理后的顯微組織，工件由表及里顯示的金相組織依次為：氧化膜--白亮層化合物--擴散層--次擴散層-基體組織。
吸咐性氧化膜只有防銹抗蝕性能；白亮層是多種元素化合物的ε相層，結(jié)構(gòu)致密的ε相層具有耐磨、耐蝕、抗咬合等優(yōu)良性能且不呈脆性，稀土元素提高了ε相層的塑性和韌性、抗大氣腐蝕能力和對弱酸的耐蝕性，這對于在酸性氣氛服役條件下的輪胎模具有著重要意義；擴散層主要由γ'＋γ相層組成，γ相是多種元素在γ-Fe中的間隙固溶體，γ'相是有序面心立方點陣的間隙相，具有較高硬度和韌性。這種較高硬度使ε相層有著堅實的基礎(chǔ)；次擴散層主要由γ＋σ相構(gòu)成，σ相是多種元素在σ-Fe中的間隙固溶體，稀土復(fù)合滲后在快冷過程中γ相轉(zhuǎn)變?yōu)橐院獮樯系鸟R氏體，提高了次擴散層的硬度；心部是模具材料預(yù)先熱處理后的原始組織。顯然，由于稀土元素的作用使?jié)B層厚度明顯增加。
在生產(chǎn)實踐中，經(jīng)稀土復(fù)合滲表面強化處理的輪胎模具實際使用效果表明，采用國產(chǎn)碳素塑料模具鋼或低合金塑料模具鋼制造的輪胎模具通過預(yù)先強韌化處理及最終的左面強化處理后，可以取代昂貴的高合金精密塑料模具鋼，從而提升了巨輪公司輪胎模具的性價比優(yōu)勢，增強了市場競爭力。
4結(jié)束語
(1)強韌化預(yù)先熱處理的實質(zhì)是細化晶粒，鋼的強度和韌性通過減少顯微組織小的晶粒尺寸而得到改善。強韌化處理使輪胎模具基體具備綜合機械性能。同時，細小的晶粒度必然增加相界面，為隨后的表而強化處理提供了更好的滲入條件。
(2)稀土元素在表面強化處理過程中起到催滲和微合金化雙重作用，對提高滲速、改善輪胎模具表面微觀組織及力學(xué)性能和化學(xué)性能有著重要的作用。
(3)稀土復(fù)合滲表面改性技術(shù)在輪胎模具中的應(yīng)用，提高了模具的使用性能和工作壽命，通過強韌化預(yù)先熱處理和最后的表面強化處理，達到采用國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)塑料模具鋼替代昂貴的精密塑料模具鋼制造輪胎模具的目的。
(4)稀土復(fù)合滲是一種兼具先進性和經(jīng)濟性的表面強化技術(shù)，除輪胎模具以外，在橡膠塑料模具領(lǐng)域，同樣有著廣闊的應(yīng)用前景。
(5)稀土復(fù)合滲技術(shù)在輪胎模具中的應(yīng)用只是強化模具表面性能研究工作的一個平臺，還有著進一步提升的發(fā)展空間，下一步將研發(fā)更復(fù)雜元索滲入的表面改性技術(shù)。
