（材料加工工程专业论文）25cr2mo2v基表面时效硬化高速钢的研究.pdf

奎曼墨三奎兰堡主丝苎一 2 5 0 r 2 m 0 2 v 基表面时效硬化高速钢的研究 摘要 时效硬化高速钢w 11 m 0 7 c 0 2 3 以其较低的含碳量，靠基 体中的弥散相一金属间化合物达到硬化，并且时效硬化迅速， 时效最高硬度可达h r c 6 8 以上，再加上其优良的抗回火软化 能力使其成为一种新型的高速钢。本课题旨在利用双层辉光离 子渗金属技术在低碳钢2 5 c r 2 m 0 2 v 材料表面形成定厚度， 一定合金含量的含w 、m o 和c o 三种元素的渗层，经过后续 的热处理一固溶时效，最终形成表面时效硬化合金层，来提高 廉价材料2 5 c r 2 m 0 2 v 表面的耐磨性和高的硬度。实验选用含 w 、m o 和c o 三种元素的质量含量依次为3 5 、2 0 f n4 5 的粉末压制成的板状材料，作为供给源即源极。利用不等电位 空心阴极放电效应，真空条件下被电离的a r + 离子同时轰击源 极和工件极，源极上的合金元素被溅射出来，在强烈的电场作 用下，吸附到受轰击而得到清洁的工件表面上。工件表面受轰 击作用的过程中温度也得到了提高。在一定的温度下，沉积在 查堕里三查兰堡主堡塞一 表面的合金元素向内扩散， 形成一定的渗层。 文中首先进行了渗金属试验过程的讨论，选用不同的工艺 参数进行了试验，得到了各工艺条件对渗层厚度和渗层成分的 影响规律曲线，并从基本原理上分析了原因，于是得到了形成 一定厚度的成分接近与w 1 1 m 0 7 c 0 2 3 的渗金属层。此外，还 从微观的影响因素方面进行了对渗金属过程影响的简要分析。 在之后的后续热处理中，选择不同的固溶和时效温度进行试 验，发现在1 2 4 0 。c ，5 m i n 固溶，5 4 0 。c 干1 3 0 r a i n 时效工艺下， 表面合金层具有时效硬化迅速，时效最大硬度值高等特点。其 中采用x r d 分析测定了时效过程的析出产物。同时，对该表 面合金的抗回火软化能力进行了测定，分别在6 0 0 、6 5 0 和7 0 0 c 下回火2 h ，测定其硬度值，发现该表面时效合金具 有较高的抗回火能力，在7 0 0 。c 回火两小时，其硬度值仍保持 在6 8 0 h v 以上。最后，对该表面时效硬化合金在不同载荷下 的摩擦磨损性能进行了研究，充分证明了其优良的耐磨性能。 关键词双层辉光，三元共渗，固溶，时效，沉淀硬化， 耐磨性 i l 查堕矍三查堂堡主丝塞一 s t u d y o nt h es u r f a c e a g i n g - h a r d e n e d h i g hs p e e d s t e e lo f2 5 c r 2 m 0 2 v a b s t r a c t an e wk i n do fh i g h s p e e d s t e e lw h i c hh a sl o wc a r b o n c o n t e n t i o n ，w a s h a r d e n e d b y t h ed i f f u s i o no fi n t e r m e t a l l i c c o m p o u n d sh a s b e e nf o u n d i t s p r o p e r t i e s i n c l u d e h i g hs p e e d h a r d e n i n g ，t h em a x i m u mh a r d n e s so f h r c 6 8a n dg o o dr e s i s t e n c e o f b e i n gs o f t e n e dd u r i n gal o n gt i m eo ft e m p e r i n g t h em a i ni d e a o ft h i sd i s s e r t a t i o ni st h a tas u r f a c ea g i n g - h a r d e n e da l l o yl a y e ri s f o r m e do nt h es u r f a c eo fak i n do f l o w a l l o y s t e e ln a m e d 2 5 c r 2 m 0 2 vw i t hd o u b l e g l o wp l a s m aa l l o y i n g t e c h t h e s u r f a c ea l l o y i n gl a y e rh a sac e r t a i n d e p t h a n dc o n t e n t i o no f w ，m o ， c o a f t e rq u e n c h i n ga n da g i n g ，i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d so fw ： m o ，c oa n df ew e r ed e p o s i t e di nt h eb a s i cp h a s e s ot h es u r f a c e a g i n g 。h a r e d e n e da l l o yl a y e rw a sf i n a l l yf o r m e d b yt h i sw a y , t h e h i g hh a r d n e s s o ft h es u r f a c ea n d g o o dw e a r a b i l i t yo f a c h e a ps t e e l m a t e r i a lc o u l db er e a c h e d i nt h ee x p e r i m e n t ，ap o w d e r p r e s s e d 1 i i 奎墨鉴型堕缝生一 b o a r d w h o s e c o n c e n t r a t i o no f w , m o ，c o w a s 3 5 ，2 0 ，4 5 s e p e r a t e l y w a sr e g a r d e d a sas o u r c ep o l e u n d e r t h eh o l l o w c a m o d ee f r e c t i o no f i n c o r d i n a t ev o l t a g e ，t h ea r a t o mw a si o n i z e d t oa ，t h e nt h es o u r c ep o l ea n d t h es p e c i m e no n ew e r ec l e a n e d b yag r e a ta m o u n to fa r + t h e i rt e m p e r a t u r e w a si n c r e a s e dt o a b o u t110 0 c t h ep a r t i c l e so fw ：m o ，c ow e r es p l u t t e r e da n d d e p o s i t e d o nt h es u r f a c eo ft h es t e e l a n dt h e s ee l e m e n t sw e r e d i f f u s e di n t ot h ei n s i d ep h a s e a tl a s t ，a na l l o yl a y e ro f ac e r t a i n d e p t h w a sf o r m e d f i r s t l y , t h ea l l o y i n g p r o c e s s w a sd i s c u s s e d i th a db e e n f o u n d e dt h a td i f f e r e n tp r o c e e d i n gp a r a m e t e r sr e s u l t i nd i f f e r e n t d e p t ha n da l l o yc o n c e n t r a t i o no f t h ea l l o yl a y e r a n dt h er e a s o n w a sd i s c u s s e di nd e t a i l t h ea n t i c i p a t e da l l o yl a y e rw a sf i a n a l l y f o r m e dw h o s ec o n c e n t r a t i o no ft h ew ：m o ，c ow a sn e a r l yt h e s a m ea st h a to ft h em e t a l l u r g i c a la g i n gh i g hs p e e ds t e e l o nt 1 1 e o t h e rh a n d ，s o m ef a c t o r ss u c ha st h ec r y s t a l l o i ds t r u c t u r e ，t h e d i a m e t e ro ft h e c r y s t a l l s a n dd i f f e r e n t a p p e t e n c i e s e c tw a s d i s c u s s e d t h e n q u e n c h i n g a n d a g i n g w a sn e e d e d t h e e x p e r i m e n t sw i t hd i f f e r e n tq u e n c h i n gt e m pa n da g i n gt e m pw e r e 太原理工大学硕士论文 d o n e ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tq u e n c h i n gw i t ht h et e m p e r a t u r eo f 1 2 4 09 ca n dl a s t i n gt i m eo f5 m i nf o l l o w e d w i t h a g i n g a tt h e t e m p e r a t u r eo f5 4 0 * 0a n dl a s t i n g3 0 m i nw o u l d r e s u l ti nt h eb e s t h a r d e n i n ge f f e c t i o n j u s tl i k et h en o r m a la g i n gh i g hs p e e ds t e e l ， t h es u r f a c ea l l o yl a y e ra l s oh a dt h ep r o p e r t i e so f h i g h - s p e e da g i n g a n dh i g hm a x m i u mh a r d n e s s t h ed e p o s i t e dc o m p o u n d sd u r i n g t h ea g i n gt r e a t m e n tw a st e s t e d b yx r d a tt h es a m et i m e ，t h e c a p a c i t yo fr e s i s t a n c eo fb e i n gs o f t e n e dd u r i n gal o n gt i m eo f t e m p e r i n g i tw a sf o u n dt h a ti t ss u r f a c eh a r d n e s sc o u l dr e m a i na h i 曲l e v e lo f6 8 0 h v a tl a s t ，t h ew e a r i n gt e s tw a sc a r r i e do u t u n d e rd i f f e r e n tl o a d n e s s t h ee x c e l l e n tw e a r a b i l i t yo f t h es u r f a c e a g i n g - h a r d e n e da l l o yw a sb e e n p r o v e d k e yw o r d s ：d o u b l e g l o w ，t r i e l e m e n t d i f f u s i o n ，q u e n c h i n g ， a g i n gp r e c i p i t a t i o nh a r d e n i n g ，w e a rr e s i s t a n c e v 查墨堡三查兰坠丝苎一 第一章绪论 1 1 表面工程溉述 1 1 1 表面工程学的产生和发展 材料是人类物质文明的基石，不断创新和发挥材料潜力乃是节约自 然能源，提高经济效益的一项战略性措施。它将有力地支撑着各行各业 突飞猛进的向前发展。当今很多重要的新技术和新科学的产生。无不依 托于新型材料的研究和发展。表面工程技术在这种环境中孕育而生。表 面工程概念的提出始于2 0 世纪八十年代，表面工程学科发展的重要标志 是1 9 8 3 年英国伯明翰大学沃福森表面工程研究所的建立和1 9 8 5 年表 面工程国际刊物的发行i i 】。1 9 8 5 年召开了第一次表面工程国际会议。 1 9 8 6 年1 0 月在布达佩斯召开的国际热处理联合会决定接受表面工程学 科并更名为国际热处理及表面工程联合会。 中国其实远在远古时期就懂得用各种植物油漆进行表面防腐蚀处 理。公元前三世纪我国己采用金汞齐鎏金术在金属表面上镀金以增强其 美观性，同时起到了防腐的效果。建国以后尤其是改革开放二十多年 来，我国的表面工程技术也取得了举世瞩目的成就，在1 9 8 7 年我国机械 工程学会表面工程研究所诞生了i 引。 国首届表面工程现状与未来研讨会， 随后第二年1 2 月在北京召开了全 同年并创办了中国的表面工程 杂志。1 9 9 3 年成立了中国机械工程学会表面工程分会，以后在国内多次 承办了国簖性和全国性的表面工程学术会 义。 国际上出现了表面工程研究热潮，表面工程技术成为s 0 年代世界 1 0 项关键技术之划1 。进入九十年代，其发展势头方兴未艾，成为美 国工程科学院的2 0 0 0 年前集中力量加强发展的9 项新科学技术项目之 查堕墨三奎堂璧圭笙苎 一。表面工程技术的高速发展，国际及各国国内表面工程学术会议的频 繁召开，表面工程研究所，表面科学系或专业在各大科研机构的出现， 使得表面工程学成为一门涵括物理，化学，冶金和机械等多学科领域的 具有节能、节材特点的跨世纪的边沿学科。 在表面工程技术的不断发展中，门新兴的边缘学科一表面工程学 正在逐步形成。它涵盖了表面科学理论，技术，工程技术设计，表面分 析与检测技术，表面质量与工艺过程控制及表面工程管理与经济分析等 七个方面的内容，其结构图见图l - l 。 表 f 表面腐蚀与防护理论 l 表面摩擦与磨损理论 表面科学基础理论 囊耋主荔裳歪面理论 囊耋羹激黛昙 面j 表面工程技 工 程 擘 f 表面改性技术 术j 薄膜技术 l 涂层技术 表面工程技术设计 表面( 膜) 层结构设计 表面工程设备设计 表面工程施工设计 表面工程车间设计 表面( 膜) 层材料学 表面分析与检测技术 表面质量与工艺过程控制 表面工程管理与经济分析 图1 1 表面工程学的内容 1 1 2 表面工程的概念及其分类 表面工程是经表面预处理后，透过表面涂覆，表面改性或多种表面 技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分和组 织结构，以获得所需要表面性能的系统工程 5 1 。按照一定原则，将表面 奎璺墨三查兰堡圭丝兰一 表 面 改 性 化学转化膜技术 袅面舍岔化技禾 化学气相沉积技术 离子柬处理技术 激光处理技术 电镀 化学镀 电泳涂覆 电刷镀 电化学氧化一在铝、镁钢，钛表面形成氧化膜 微孤氧化 化学氧化 铬酸盐钝化一在钢铜铝镁锌钛上形成钝化膜 磷酸盐处理一在钢铜铝镁上形成磷化膜 草酸盐处理一在钢上草酸盐膜 化学热处理一渗碳、氮、碳氮共渗；渗铬、钼、钨、铝 激光热处理一渗铝铬、铝硅 甄层辉光离子渗金属一渗钨、钼、钛、钴，铬及兵合金 加弧辉光离子渗镀技术 熔渗技术 常压c v d 4 巍压c v d 一可沉积金属碳化物、氪化物。氧化物、 硼化物及金属等离子体c v d 激光c v d 一可形成荧光膜( p b o ) 、光导电膜p b s 、 光电变色膜( w o ) 金属有机化合物c v d 在化合物或绝缘村底上制备 化合物半导体 离子注入( i p ) 离子束沉积( i b d ) 一注入c r 一、p 一、b 一等金属、非金属 元素形成离子注入层或粒子沉积层 离子束增强沉积( i b e d ) 激光表面相变硬化 激光表面重熔平整一激光处理改变表面组织结构， 提高耐磨性和平整度 激光涂覆涂层 图1 2 表面改性的分类 区 力虚 压 戍形县面 表 亚面 氛芷 一化化化强强强压舭牡潞 术技化强面 表 查堕堡三查兰堡兰丝苎 工程可分为以下几种类型。图1 - - 2 列出了表面工程发展历程中走向成熟 的一些技术1 6 】。 ( 1 ) 改善表面的显微组织，使表层组织得到强化。如激光淬火和感 应加热淬火等高能量密度的表面热处理。 ( 2 ) 改变表面成分，使表面合金化。最初的化学热处理如热扩渗， 镀渗及固体渗技术。二十世纪八十年代，由我国学者发明的双层辉光离 子渗金属技术，该技术可在导电材料表面根据需要渗入各种合金元素， 还可以与传统渗碳，渗氮技术相结合，使表层达到了很高的耐磨、耐蚀 和耐高温等优异性能。 ( 3 ) 冷状态加工与表面状态的改变有机结合。这是一个将整体强化 与局部或表面强化结合起来的复合强化新领域。工件在整体强化后，往 往会是缺口敏感性提高并导致疲劳极限下降，甚至发生脆性断裂。为此 在缺口或薄弱区域施以局部滚压强化，可明显降低材料的缺口敏感性， 大大提高了工件的服役寿命。 ( 4 ) 表面涂覆技术。它含括了喷涂、涂镀【7 8 】、电刷镀、粉末溶射、 电火花喷射等多种工艺。另外，表面氧化、磷化及装饰镀也可归于此类。 ( 5 ) 交叉复合处理。所谓交叉处理，也就是将各种技术工艺结合起 来，获得些意想不到的特殊性能【9 】。 1 1 3 表面工程技术的特点 ( 1 ) 在廉价的基材表面，施以各种处理，使其表面获得防腐、耐磨、 耐热、耐高温、耐疲劳、耐辐射、抗氧化性以及光、热、磁和电等特殊 功能和装饰性能等。同时，基材的原有组织和性能基本保留了下来。 ( 2 ) 表面涂层或改性层甚薄，从微米到毫米级，仅占工件整体厚度 的几百分之一到几分之一，节约了大量的稀缺贵重元素，用极少量的材 料就起到了大量昂贵的整体材料难以起到的效果，如非晶和微晶等。正 如英国伯明翰大学沃福森表面工程研究所的p r o b e l l 曾指出的“表面工 查垦堡三盔兰堡主笙兰一一 程是表面与基体作为一个系统的设计，以获得单独一方都不能达到的高 性能价格比”。 ( 4 ) 既可用来对材料进行保护，又可用来提高机件质量，还可成功 地对机件进行修复。 ( 5 ) 实践证明，在诸多的节材技术中，表面工程新技术对于节材的 作用尤为显著。工业技术的发展，使制造工业产品所需的材料品种日益 繁多，多种特殊合金材料由于要适应高强度，高硬度和耐磨，耐高温以 及耐腐蚀等不同要求而被开发出来，但是这些合金材料的价格往往比普 通材料高得多。因此长期以来人们作出种种努力来减少高性能合金材料 的用量f l o - h j 。材料表面改性在这种需求中孕育而生。对普通材料的表面 实施涂覆，刷涂以及阴极保护等表面处理技术可以提高材料适应复杂工 作环境的能力和使用寿命，从而大大减少材料的用量 1 2 x 3 1 。 1 。1 4 表面工程技术的前景展望 表面工程是一门交叉渗透于基础理论和技术理论，具有高新技术特 点的在全球崛起的新兴学科。美国商务部门分析认为。表面工程技术将 同新材料技术，计算机、生物、电子和医学技术等七项成为主导2 1 世纪 发展的关键技术 1 4 1 5 1 。据悉，我国有关部门已把表面工程作为项重要 内容列入2 0 1 0 年长远发展计划f 州】，将其作为一项重大的节能措旖大力 组织实施。表面工程将以其独特的优势成为2 l 世纪的主导技术之一。并 将带动例如航空航天，新能源，信息技术等高科技领域的快速发展。 1 2 表面合金化概述 机械零件的失效，大多发生在零件的表面或始于零件表面，工件的 摩擦磨损与腐蚀失效尤其如此。所以，为了提高零件的使用寿命和在工 作状态使零件表层保持优良的性能，必须提高表层的质量和性能，通常 用表面强化技术即表面合金化来达到此目的。早在2 0 0 0 多年以前我国就 查堡曼三查堂堡主丝塞 一 已经使用渗碳工艺提高钢铁材料的表面硬度和增加兵器的锋利性。2 0 世 纪3 0 年代德国的b b e r g h a u s 发明了离子氮化( i o nn i t r i d i n g ) 并于1 9 3 2 年获美国专利权。离子氮化的发明开辟了粒子轰击化学热处理的新领域。 经过7 0 多年的发展，相继出现了离子渗碳、离子碳氮共渗、离子渗硫等 化学热处理新工艺 t 9 1 。离子氮化的优点被人们普遍认识并接受，在工业 应用中也备受重视。我国学者徐重教授在多年研究离子氮化中，发明并 发展了双层辉光离子渗金属技术。并于八十年代初获得了解放以来中国 大陆学者在美国取得的第一项专利。此后又相继获加拿大，澳大利亚， 英国和日本等多国专利权。该技术弥补了离子氮化技术只能应用于少量 非金属元素的不足，使粒子轰击化学热处理领域扩大到了大量的固态合 金元素。 所谓表面合金化，即通过用物理或化学方法改变工件一定深度的表 层的化学成分和组织，以改善或获得所需要的表层性能。表面合金化与 一般的热处理和表面处理的根本区别在于：前者是集复杂的物理化学过 程，固态下原子扩散过程与热处理过程于一体的工艺方法。 1 z1 表面合盒化的分类 到目前为止，表面合金化大致可分为以下三部分： ( 1 ) 化学表面合金化 该技术是在加热条件下，利用化学介质的挥发，分解和反应而形成 表面合金层的方法( 如固体渗碳、气体氮化和固体渗金属) 1 1 9 1 。 ( 2 ) 高能束表面合金化 所谓高能束表面合金化即是利用载能粒子束如离子、电子、光子及 中子束等实现表面合金化。其中包括离子注入技术、激光表面合金化以 及电子束表面合金化技术等。 ( 3 ) 等离子体表面合金化 它是利用气体放电( 如辉光或弧光放电等) 所产生的低温等离子体 查曼墨三查兰堡主丝生 而形成的表面冶金方法。其中主要包括离子氮化、双层辉光离子渗金属 技术以及在双辉技术上发展起来的多弧离子渗金属和加弧辉光离子渗金 属技术等。 1 2 2 表面合金化的基本过程 表面合金化的基本过程大致可分为以下三个基本过程： ( 1 ) 欲渗元素活性原子的获得 在表面合金化过程中，无论采用何种工艺和何种物态的渗剂，首先 必须产生可被工件表面所吸收的新生态原子即活性原子，才能渗入工件 表面。最初的渗碳和渗氮处理，即是通过在高温下分解c o 、c 地或n h 3 提供了活性的碳原子和氮原子。而双层辉光离子渗金属技术则是利用空 心阴极效应，将欲渗元素组成的源极上的原子或原子团溅射出来。 ( 2 ) 活性原子为工件表面所吸附 固体表面具有一定的表面能，它有吸附某种物质降低其表面能的趋 势。活性原子到达金属表面之后，并被吸附。 ( 3 ) 活性原予向工件内部的扩散 基材表面吸附活性原子之后，表面的渗入元素浓度大大提高，在表 面和内部之间形成明显的浓度差( 浓度梯度) ，渗入原子将在宏观上定向 地向浓度下坡方向移动，即由表向里扩散。扩散的结果是浓度趋于均匀， 降低可系统的自由能，因此说自由能降低是扩散的推动力一扩散是一个 自发的过程，从而得到定厚度的扩散层。 1 3 双层辉光离子渗金属技术概述 1 3 1 辉光放电和空心阴极效应 ( 1 ) 辉光放电基本理论 辉光放电作为双层辉光离子渗金属技术的基础，现简单就其基本理 论予以概述。 查堕里兰查兰壁主堡墨一 辉光放电是一种稳定的自持放电，这种放电是靠正离子轰击阴极所 产生的电子来维持的，因此具有电流密度小而管压较高，并有明显的阴 极溅射效果，适当设计电极可获得性能独特的空心阴极效应。以下为辉 光放电基本现象的简要描述【2 0 1 。 典型的辉光放电管在起辉稳定之后，在阴极和阳极之间会出现明暗 相间的分布。直流辉光放电区包括：阴极位降区、负辉区、法拉第暗区、 正柱区和阳极区。辉光放电的区域分布和区域中的光学，电学特性如图 1 3 所示。 1 ) 阴极位降区 阴极位降区由阿斯顿暗区，阴极辉光区，阴极暗区组成。d k 表示阴 极位降区的长度。阴极和阳极之间的电压降大部分集中在该区域，维持 整个放电所必须的基本过程都在这里完成。其特点是电场强度大，但分 布不均匀。 2 ) 负辉区 它是放电空间光强最强的区域。由阴极暗区进入负辉区的大部分电 子的能量都变得很小，加之在阴极暗区中通过碰撞电离产生的大量慢速 电子也进入同一区域，因此形成了大量电子的堆积，由于空间负电荷作 用使电子运动速度减慢，于是激发几率增大，发光增强。此外，慢速电 子与从阴极暗区扩散过来的慢速正离子有较高的复合几率，这种复合也 以发光的形式释放出电离能，因而产生明亮的辉光区。负辉区是一个很 有用的区域，空心阴极放电器件，就是茅u 用负辉区的特性制成的。 3 ) 法拉第暗区 由于电子在负辉区损失了很多能量，在进入新的区域后，便没有足 够的动能使气体产生激发。该区域中的电子和离子密度也较负辉区小， 电场也很弱，激发和复合的几率都比较小，因此成为一个暗区。 4 ) 正柱区 奎堕矍三查兰塑圭丝苎一 就辉光放电的本质而言，正柱区不是维持放电的必需区域，但它是 放电中的一个重要区域，很多类型的放电器件，特别是发光照明放电器 件，就是对正柱区的直接应用a 5 ) 阳极区 阳极区也不是放电的必须区域，它由阳极辉区和阳极暗区组成。其 主要作用是保证阳极收集到足够的电子而形成电流。 ( 2 ) 空心阴极效应 若在一般辉光放电装置中装入两个平行的平板阴极，如图i - 4 所示。 将k 1 和k 2 两个平板型阴极置于真空容器中，当满足气体点燃电压时， 这两个阴极都产生辉光放电。在放电时，两个阴极附近将出现各自的阿 斯顿暗区，阴极光膜，阴极路区和负辉区，丽法拉第暗区和正柱区则是 公共的。假若设法让两个阴极逐渐互相靠近，则当间距缩小到某一程度 时，或者是所处环境中的气压减小到某一定值时，两个负辉区便合二为 一了，这时负辉区的发光强度和电流密度都大大增加，这就是“空心阴 极效应”，这种放电就叫空心阴极放电。 在相同条件下，空心阴极辉光放电的电流密度比正常辉光放电时显 著增大。这是因为： 1 ) 由于高能电子可以在阴极问来回振动，增加了电子和气体分子的 碰撞几率，可以引起更多的激发和电离过程【2 2 。”。 2 ) 负辉区重叠。负辉区是放电中带电粒子浓度最高和光辐射最强的 区域。在空心阴极中负辉区的相互重叠，更增强了负辉区的特性，使区 内带电粒子浓度更高，光辐射更强。同时，由于电子的振荡效应，使负 辉区中高能电子比例上升，由于较多的高能粒子轰击阴极表面，也同时 使阴极溅射大大增强。 查曼墼型型塑l 一 图1 3 辉光放电的区域分布和区域中的电光学特性 一一阴极：+ 一阳极；a 一阿斯顿暗区；k - - 阴极光模；l - - 阴极暗区 n 一负辉：f 一法拉第暗区；f 一正柱；p l 阴极暗区；p c 一阴极辉光 e 一场强；v 一电位：i 一光强：t 一气体温度；q 一电荷密度 1 0 i j 1 l v i e ， q ， t l 查堡型三盔兰塑主垒兰一 图1 - 4 空心阴极效应示意图 ( 3 ) 不等电位空心阴极效应 不等电位空心阴极效应作为双层辉光离子渗金属技术的理论基础， 其主要特征是有两个不同电位的阴极。开始时两阴极单独起辉，两个负 辉区互不相干，各自电流随着自身电压的的提高而缓慢增长。但是随着 两阴极电位的继续升高，其中一阴极的负辉区便开始逐渐向前延伸，一 旦与另一阴极的负辉区衔接，不仅辉光亮度明显增加，各自电流密度也 明显增加，这时即是发生了不等电位空心阴极效应。双层辉光离子渗金 属技术应用此效应，大幅度地提高了等离子体密度，即增强了阴极的溅 射产额，同时使得工件温度迅速升高。 1 3 2 双层辉光离子渗金属技术梗概 双层辉光离子渗金属技术，又称之为等离子表面冶金技术，是种 新型的表面冶金新方法。其主要功能是在普通廉价的可导电材料表面形 成具有特殊物理化学性能和机械性能的合金层，例如在普通碳钢表面可 形成高速钢、不锈钢和镍基合金等。 该技术是徐重教授在离子氮化基础上发明并发展起来的项具有世 界领先水平的表面冶金技术。该技术于1 9 8 0 年初实验成功，1 9 8 1 年通 过技术鉴定，1 9 8 2 年公开发表，并于1 9 8 5 年取得美国专利权( 2 5 6 j 。故 奎受垄三查堂堡主兰主一 此项技术又称为“徐氏合金化法”( x u t e c f r o c e s so rx ul o y p r o c e s s ) 。 到目前为止，该技术已成功地进行了单元素渗、双元素共渗、多元 共渗、复合渗以及一些基础理论的研究。并且在此技术的基础上发展了 双辉加弧离子渗和多弧离子镀等技术2 7 书。在工业应用方面，也取得了 丰硕的成果。特别是己成功开发了“双层辉光离子渗金属机用锯条”和 “双层辉光离子渗钨钼手用锯条”。其中的手用锯条已进入大规模生产阶 段【3 0 、3 2 1 。 ( 1 ) 双层辉光离子渗金属技术的基本原理1 3 3 j 图卜5双层辉光离子渗金属基本原理图 双层辉光离子渗金属的基本装置示意图见图1 。3 。在一个真空容器中 设置阳极、阴极( 工件) 以及由欲渗合金元素组成的源极。阳极和阴极 以及阳极和源极之间各设一直流可调压电源。当真空室抽到一定真空时， 充入一定量惰性气体达到所需工作气压后，接通两直流电源，使阳极和 阴极以及阳极和源极之间分别产生辉光放电。源极与工件极之间的负辉 区相互重叠，产生了所谓的空心阴极效应【3 4 】，使得氩离子在工作空间的 1 2 奎墨墨三盔兰堡圭丝塞一 振荡加强，间接作用于对工件和源极的轰击作用。离子轰击使源极溅射 出合金元素并被工件表面吸附，工件在离子轰击作用下升到一定温度并 且其表面产生很大的空位浓度3 ”，合金元素借助于离子的轰击和高温扩 散扩散进入工件表面，形成了与基体为冶金结合的表面合金层，而且合 金元素呈梯度分布。 ( 2 ) 双层辉光离子渗金属技术的特点 双层辉光离子渗金属技术具有设备简单，工艺简化，节约能源，无 污染和易推广等优点。具体有以下几点： 1 ) 应用范围广泛。渗金属的传统应用是提高材料表面的耐磨性能。 随着这项技术的不断发展，在耐蚀和抗高温氧化性能方面也取得了突破 性的发展【3 37 1 。渗金属技术被广泛地应用于冶金工业，航空航天等许多 领域。 2 ) 可以进行多元共渗。渗金属技术对渗入元素没有太多的限制，可 以根据需要达到的渗层成分来设计对应的源极成分。 3 ) 渗层与基体为冶金结合。渗金属过程中渗入元素扩散进入基材， 与基体主要元素形成一定的固溶体组织，形成的合金层与基体没有明显 的界面，只是存在相界面。所以渗层与基体形成牢固的冶金结合，也就 不会出现任何的剥离现象。 4 ) 渗层成分和厚度可以通过调节工艺参数来获得。渗层成分和厚度 强烈地依赖于工艺参数，也就是说人为地改变工艺参数，可以获得不同 的渗金属结果。 5 ) 渗层成分呈梯度变化。这一点使得该技术优于普通的表面处理方 法。普通的方法无法避免的成分组织和性能问题，这项技术却很好地给 以解决。渗层成分的梯度变化保证了最终的材料具有足够的韧性。 6 ) 渗金属技术大量地节省了昂贵的稀有金属。对于很对机械零件而 言，要求其表面具有优良的耐磨性和耐蚀性能。利用渗金属技术，在廉 奎堡里三查堂堡兰笙墨一 价基材表面渗入一定量的某种合金元素或合金元素的组合，就可以达到 节省投入，提高经济效益的目的。 ( 3 ) 双层辉光离子渗技术技术的应用领域 1 ) 双辉技术从发明一开始就是为了能够在用量很大的钢铁材料上取 得应用。该技术已经成功地在各种廉价的钢材表面渗入，例如n i c r 、 w - m o 【3 8 】、w - m o c o 【3 ”、镍基合金4 2 】及表面不锈钢，来提高材料的耐 磨性、耐腐蚀性、耐热性和抗氧化性等。双层辉光离子渗金属手用锯条 就是该技术在五金工具领域的一个成功的应用典范。双辉锯条以其优良 的使用性能和低的性价比得到了广泛的认可。 2 ) 近几年来，该技术又成功地应用于钛及钛合金以及铜和铜合金的 表面合金化m 3 琊1 。进入二十一世纪以来，钛合金在材料领域里是备受青 睐，作为航空航天及国防工业等高尖端科技领域中的重要材料，钛阻燃 合金的研究更是万众瞩目。利用双层辉光离子渗金属技术在普通钛材表 面形成铌，钒或铬与钛的合金层，初步试验表明可以达到很强的阻燃效 果，也充分显示了其潜在的应用前景。 1 4 时效硬化高速钢的发展概况 1 4 1 高速钢及其发展概况 切肖0 工具是金属切削加工的关键主导因素。人们为了能够不断提高 机械加工的劳动生产率，提高切削速度，不断地研究出了满足现代材料 切削加工的先进刀具材料：从最初的碳素工具钢和合金工具钢【4 6 l ，到后 来发展的高速工具钢、硬质合金、金属陶瓷刀具及金刚石切削刀具。目 前主要的刀具材料有高速钢、硬质合金、陶瓷和金刚石等。尽管在高速 钢之后，又相继发展了一系列新型刀具材料，但截止到2 0 0 0 年，高速钢 仍占刀具材料的3 0 ，而年产量为3 万吨。高速钢自问世以来，其所以 经久不衰，主要是由于高速钢在现阶段具有超硬工具材料所不能比拟的 奎曼墨三奎兰堡圭丝主一 韧性和优良的可加工性能。同时高速钢比超硬材料成本低廉，比碳素工 具钢、低台金钢和铬模具钢具有优良的热硬性及耐磨性能的缘故。高速 钢除用于刀具材料之外，还应用在模具及一些特殊轴承方面。总之，在 现代工具材料中，高速钢仍占有很重要的位置h ”。 高速钢是随着切削加工要求的不断提高，逐步发展起来的。其发展 过程如下f 4 8 吲】： 远在1 8 6 1 年m u s h e t 首次冶炼了含有2 1 5 c ，1 0 4 s i ，0 5 8 m n ， d 4 0 c r ，5 4 4 w 的钢。由于这种钢在空气中冷却即能淬火，所以m u s h e t 将此钢称为“自硬钢”，这就是现在高速钢的前身。之后，这种钢的成分 又几经变化，即当含碳量为1 2 5 之2 5 时，其含钨量大约为4 0 0 1 - 1 1 ， 含锰量为1 5 0 o 一 - 3 5 。后来锰又逐渐被铬代替，但由于在当时并没有发 现它具有现代高速钢的特性，加之这种钢含碳量较高且锻造困难，所以 当时生产量很小。随着美国钢铁产量的大幅度增长，对切削工具材料的 性能提出了更高的迫切要求。为了提高自硬钢的切削性能，1 8 9 8 年t a y l o r 以每5 0 为一级，对这种钢进行了提高淬火温度的试验。结果发现在接 近自硬钢的熔点处淬火，刀具可获得最佳切削性能，并且纽硬性大为增 加。而后者正是近代高速钢性能的主要标志。高温淬火工艺直沿用至 今，它与高速钢的化学成分相匹配，成为高速钢刀具具备其切削性能的 两个基本要素。 后来t a y l o r 等人又将钢的成分加以调整，即减少了碳、硅和锰的含 量，增加了钨和铬的含量，并加入了微量的钒，这样钢的可锻性提高了， 硬化深度也得到了改善，钢的断口也致密了。因而在提高了其切削性能 的同时，也降低了废品率，这就是1 8 4 1 型高速钢的前身。 从1 8 6 0 年到1 9 0 6 年，为了探索提高刀具的切削速度，终于在成分 上确定了直到近代仍广泛使用的1 8 4 1 型( o 7 c ) 钢，在工艺上找到 了高温淬火，因而形成了工业生产中极为重要的一类高速钢。与过去 奎璺墨三查堂璧圭兰主一 的刀具材料相比，高速钢在力学性能方面的主要特征是具有较高的热硬 性( 高温硬度) 。一般高碳钢和高碳低合金钢可保持硬度至2 0 0 左右， 而高速钢可保持较高硬度在6 0 0 以上。 在一次世界大战期间( 1 9 1 4 1 9 1 8 ) ，德国由于钨资源缺乏，而将典 型的高速钢中的钨，用钼代替，与1 9 1 6 年发表了这一成果。这些钢中大 致含有 1 0 m o 、3 6 w 、2 v 和3 c r ，有时还含有微量的钽。就 在同一时间，美国也由于钨资源的不足，研究用铝代替钨。但由于这种 钢容易脱碳，而当时加热设备比较落后。故在第一次大战后，曾一度中 止生产。 到1 9 2 8 年，为了提高切削性能，人们又试图调整1 8 4 1 型高速钢 的化学成分，于是发现了钒含量在1 以上时，可以提高耐磨性能。而且 当时已经认识到在增加钒含量的同时，必须增加碳含量。因为发现了当 碳含量在0 7 5 时，如果增加钒到一定数值后，钢中就要出现铁素体。 由于碳和钒必须成比例地提高，所以形成了高碳高钒高速钢。 在1 9 3 0 年以前，国际市场上钼比钨的价格高。1 9 3 0 年以后，由于 钼矿开采量增多，价格也降了下来。由于经济和资源方面的原因，同时 也由于钨钼系和钼系高速钢具有一系列的优点，再加上加热设备的改 进，所以在第二次世界大战后得到了空前的发展，其中最为典型的是 6 5 4 ：2 型高速钢。 1 4 2 时效高速钢的出现及其发展 从二十世纪三十年代末期，直到五十年代，高速钢的硬度范围始 终在h r c 6 2 6 6 之间，甚至有许多工具钢还低于这个硬度范围。近几十 年来，随着尖端技术的发展，出现了许多新型金属材料，其难于切削加 工的问题也接踵而至。例如高温合金、难熔金属、钛合金、马氏体时效 钢、沉淀硬化不锈钢以及用量相当大的高强度结构钢的切削加工问题。 从另方面看，高速切削机床，高效率自动线，加工中心等设备也在不 奎曼墨三查堂竺圭堡兰 断增长，所以对高速钢提出了更高的要求。在五十年代末期到六十年代 初期，人们适当地调整了钨钼系高速钢中的钨、锢、钒和钴的成分，将 含碳量提高到“平衡碳”量的水平，研制成功硬度可达h r c 7 0 的超硬高 速钢。超硬高速钢的一个严重问题就是在高硬度下韧性较差。所以研究 人员开始了新的课题，通过改善材质和热处理工艺以及调整成分来实现 增韧。 随着人们对高速钢的析出硬化机理和各种热处理后的性能有了愈发 明确的概念后，六十年代“平衡碳”理论的出现和超硬高速钢的产生， 使得高速钢在合金化理论方面得到了进一步的完善。之后，高速钢的发 展的一个方向主要集中于发展工具合金强韧化理论和探索新型的合金化 方案，其中在生产中稳见成效的有低碳高速钢和无碳的时效型高速钢。 低碳高速钢，又称无莱氏体钢，是一种在基本保持合金元素含量不变的 前提下，降低含碳量，在凝固过程中尽量减少或避免莱氏体共晶的形成， 并通过渗碳及随后的淬火，回火，使表层的硬度达到h r c 7 0 5 2 5 3 1 。 w p s y k e s 于1 9 2 6 年研究了f e w 合金时效强化过程，发现并指出 f e 7 5 w 2 5 合金经8 0 0 时效，硬度可达h b 3 8 0 左右，这种合金的硬化是 由于a 合金铁索体中析出了f e w 金属间化合物。其显著的时效强化作 用，引起了人们的注意。不久之后，连续数位科学家就f e w 和f e - w - c o 合金系时效硬化作了系统的分析，并认识到强的时效硬化过程归功于c o 元素的加入f 5 ”，保证高温淬火获得奥氏体基体，因而时效前具有马氏体 组织。c o 元素虽然本身不参与合金化合物的形成和析出，但对时效析出 过程起到了降低析出温度，增大析出量，细化析出物颗粒的作用。这种 无碳的含较高合金元素的时效硬化材料虽然具有超高硬度和良好的红硬 性，但由于该种商钴合金脆性较大，成本太高，所以在发现其之后的近 二十年中没有太大进展【5 5 j 。 1 9 4 3 年小柴定雄【5 6 】提出了一种含钴量稍低，但却含微量碳元素的所 查璺墨三查兰堡兰堡苎一 谓低碳高钴高速钢，其强化机制中除了金属间化合物外，还存在有合金 元索碳化物析出强化。 二十世纪五十年代，1 8 n i 型高强韧性马氏体时效钢在真空条件下冶 炼可大大提高韧性，这一点很快被用于研究时效硬化高速钢。研究人员 发现，用m o 代替部分的w ，用n i 代替部分的c o ，并采用部分n i 3 t i 强化，形成的新的合金系的时效结果不仅达到了好的硬化效果，而且材 料的脆性问题得到了缓解。 1 9 7 5 年在法国举行的国际高速钢会议上，有人正式提出一种含碳量 约为o 1 ，高w ( 约2 0 ) 高钻( 约为2 5 ) 的高速钢。这种钢的原 始组织为淬火态，硬度低，可进行机械加工。在6 0 0 - 6 5 0 c 回火时，析 出( f e ，c o ) 7 w 6 型金属间化合物。温度上升到6 5 0 6 7 0 c 时，还能保持 稳定状态，其最高硬度可达h r c 6 8 7 0 。它的红硬性，若以保持相同硬 度的加热温度衡量，可比般高速钢高1 0 0 ，比含钴的超硬性商速钢 高5 0 c 以上。在7 2 0 ( 2 回火四小时，硬度仍可保持h r c 6 0 。这种材料改