（材料学专业论文）20cr2v2基表面含钴超硬高速钢的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 2 0 c r 2 v 2 基表面含钴超硬高速钢的研究 摘要 超硬高速钢一般指回火硬度在h r c 6 7 以上的高速钢，具有耐热性、耐磨性能 好，硬度高等特点，是加工难切削材料、制造数控机床刀具和高速切削刀具必 不可少的刀具材料。在工业发达国家，钴系超硬高速钢的产量已占到高速钢总 量的2 0 以上。但市场上钴的价格昂贵，而且我国钴资源较缺，因此含钴超硬高 速钢生产很少。 表面冶金高速钢是采用先进的表面合金化技术，在普通碳钢或低合金钢表 面渗入w 、m o 、c 等合金元素，通过淬火、回火使表面形成具有高速钢成分和性 能的表面合金层，充分利用表面的高硬度、红硬性和耐磨性，以及基体的柔韧 l 性，达到最佳的性能组合，同时可以大大降低合金成本。 本研究课题就是利用双层辉光离子渗金属技术在2 0 c r 2 v 2 低合金钢表面形 成含钻超硬高速钢的一种工艺方法。本研究课题首先在2 0 c r 2 v 2 低合金钢表面进 行w m o c o 共渗，使表层渗入一定的合金元素；接着在渗完金属的试样表面进 行固体渗碳，使渗层表面表面基本达到或接近超硬高速钢的成分；然后经后续 淬火、回火处理，获得超硬高速钢的性能；最后本课题研究了与表面强化g c r l 5 钢进行耐磨性对比试验。 本研究课题获得以下结果： 1 、在世界领先的双层辉光离子渗金属钨钼表面高速钢基础上，提出表面含 钴超硬高速钢的又一项新工艺，完善了双辉表面冶金工艺技术，拓宽了使用范 太原理工大学硕士研究生学位论文 围，具有广阔的应用前景。 2 、2 0 c r 2 v 2 低合金钢经w m o c o 共渗后，表面含w 量为11 叭左右，含 m o 量为6 叭左右，含c o 量为1 2 5 叭左右。渗层与基体为冶金结合，渗层 中的柱状晶组织与基体保持着一定的晶体学位相关系。 3 、w m o c o 合金层经固体渗碳，表面渗层7 5 岬内碳含量保持在1 2 叭 以上，超过了平衡碳的计算值。 4 、淬火回火后，表面硬度最高达1 2 0 0 h v ( 7 0h r c ) ，并且由表及里逐步 下降，呈梯度分布，在距表面1 0 0 岬处其硬度为9 4 2 h v ( 6 7 h r c ) 左右，渗 层保持了很高的硬度，达到了超硬高速钢的要求。6 2 5 时，表面含钴超硬高速 钢的红硬性为8 5 6 h v ( 6 5 h r c ) ，高于含钴超硬高速钢m 4 2 ( 5 9 h r c ) 和c 0 5 的红 硬性( 6 2 2 h r c ) ，可见表面含钻超硬高速钢具有极强的抗回火软化能力。 5 、2 0 c r 2 v 2 低合金钢经w m o c o 共渗表面复合强化工艺处理后，碳化物 主要类型为m c ，m 2 c ，m 6 c 及c r 7 c 3 型碳化物和一些少量的金属间化合物 ( c 0 3 w 、f e 7 m 0 3 ) 。 6 、2 0 c r 2 v 2 低合金钢经w m o c o 共渗表面复合强化工艺处理后，与 2 0 c r 2 v 2 低合金钢强化处理相比，摩擦系数降低，表面几乎没有被磨损，而是 大量覆盖着从对磨小球上转移下来的物质，磨损量、磨损率和磨损速率均为负 值，表现出了优良的抗摩擦磨损性能。 一 关键词：w m o c o 共渗，表面含钴超硬高速钢，表面复合强化，耐磨性 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t u d yo nt h es u r f a c ec o n t a i n e d c o b a l ts u p e r h a r d h i g hs p e e ds t e e lo f2 0 c r 2 v 2 a b s t r a c t s u p e r h a r dh i 曲s p e e ds t e e l ，a s a 妣do fh i g hs p e e ds t e e lw i 也t e m p e m m r e h a r d n e s so v e rh r c 6 7 ，d u et ow e a rr e s i s t a i l c e ，h o tr e s i s t a l l c e ，h i g hh a r d n e s sa i l ds o o n h a db e c o m eav e 巧i n l p o r t a n tm a t e r i a lf o rp r o c e s s i i l gh 砌c u t t i i l gt 0 0 1 s ，p r o d u c i l l g n u m e t i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o l sa n dh i 曲s p e e dc u t t i n gt o o l s h li i l d u s t 巧d e v e l o p e d c o u n t 巧，t 1 1 eo u t p u to fc o b a l t s u p e n l a r dh i 曲s p e e ds t e e lh a sa h e a d yr e a c h e d 铆e n 哆 p e r c e n to fh i g hs p e e ds t e e l s h o w e v e r ，1 ep r i c eo fc o b a l tw a sv e 巧e x p e n s i v ei n m a r k e ta 1 1 dc o b a l tw a ss h o ni l lo u rc o u n t 巧，s o 吐l i sk i n do fs p e e ds t e e lw a ss e l d o m m a d e 7 r h es u d a c em e t a l l u 唱yh s sc o u l db em a d eo n l es u r f a c eo fc o m m o nc a n o n s t e e lo r1 0 wa 1 1 0 ys t e e lb ya 虹n do fa d v a n c e ds u d a c em e t a l l u 略yt e c h i l o l o g y a f t e r a l l o y i n gw ，m o ，ca n d s oo no nt l l es u b s t r a t e ，n l e nb yq u e n c h i i l g 锄dt e m p e r i n g p r o c e s s ，t 1 1 e s u f f a c ec o u l dg o th s s s c o m p o s i t i o n a 1 1 d p r o p e n i e s b e c a u s e o f a d e q u a t e l ym a h n gu s eo f 廿l es u r f a c e sh i g hh a r d n e s s ，a n t i t e m p e rs o r e i l i n ga _ b i l i 哆， w e a rr e s i s t a n c ea i l dt l l es u b s t r a t e se x c e l l e n t t o u g l u l e s s ， m i sh i l do f s u r f a c e m e t a l l u 略yh s sw a st 1 1 eb e s ta b i l i t i e sc o m b i i l e b e s i d e s ，m ep i i c ew o u l db eg r e a t l y g o n ed o w n 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h i sa n i c l ep r e s e n t e dan e wm e m o dt op r o d u c ea1 a y e ro fs u p e r - h a r dl l i g l ls p e e d s t e e lo nt h es u 血c eo fl o wa n o ys t e e lb yd o u b l eg l o wp l a s m aa l l o y i n gt e c l u l i q u e f i r s t ， w m o c op e 彻e a t i o nw a sd i s c u s s e do n 1 es u r f a c eo fl o wa l l o ys t e e l2 0 c r 2 v 2a n d c e r t 山a 1 1 0 ye l e m e n t sw a sg o t ； l e nt l l es u f k ea l l o yc o i l l p o n e n tw a sc l o s et o s u p e i h a r dh i g hs p e e ds t e e lb yf o u o w i n gc 缸b u r i z i n gp r o c e s s ；a f t e rq u e n c h i n ga 1 1 d t e m p e r i n gp r o c e s s ，1 ea l l o y i n gl a y e rm a yp o s s e s s e ds u p e rh s s e x c e l l e n ta b i l i t i e s a t 1 a s t ， 1 e p a p e r w a s m a i l l l y i i l t r o d u c e d吐1 a tt 1 1 ew e a u rr e s i s t a i l c e c o m p a r a t i v e e x p e i i m e n t s锄o n gw m o c op e m e a t i o ns u 血c es u p e r - h 砌h s sa n d s u l i f l a c e i n t e n s i 母i n gg c r l 5s t e e l i i lm e p a p e rm ef o l l o w i l l gr e s u l t sh a db e e na c h i e v e d ： 1 a n o m e rn e wp r o c e s so fp r e p 痂gc o n t a i l l e dc o b m ts u p e r - h a r ds u r l a c eh s s w a sa c h i e v e do nm eb a s i so ft l 】n g s t e nm o l y b d e n u ms u 血c eh ssb yd o u b l eg l o w p l a l s m aa l l l o y i n gt e c h i l i q u e ，w h i c hp e l l e c t e d t 1 1 ed o u b l eg l o ws u 疵c e m e t a j l u 略y t e c h n o l o g y ，b r o a d e n e d 血ea p p l y i i l gf i e l d sa n dw o u l db em o r es u i t a b l ef o ri n d u s 町 a p p l i c a t i o n 2 t h ec o m p o s i t i o no fm 0 1 y b d e n u mr e a c h e d6w t a n dt h a to fc o b a l tw a sa b o u t 12 5 、t a i l dt 1 1 a to ft u n g s t e nw a sa b o u t1 1w t a r e rw 二m o c op e 彻e a t i o no n 血e s u r f a c eo f1 0 wa 1 1 0 ys t e e l2 0 c 心v 2 1 1 1a d d i t i o n ，l e1 a y e rw a sm e t a l l u 曙i c a lb o n d e d w i t l ls u b s t r a t ea i l di t sc o l u m ng r a i l ls t m c t u r ea l s oh a dc e n a i l lp h a s er e l a t i o nw i t l l s u b s t i a t e 3 a f 【e rs 0 1 i dc a r b u r i z i n g ，m ec o n t e n t so fc 打b i d er e a c h e da b o v e1 2 、玑i n s i d e 7 5 肛mo f w m o c oa 】l o y i i l gl a y e ra n ds u 叩a s s e d 1 eb a l 锄c ec a i b o nv a 】u e 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 a f c e rh a r d e m n g ，m eh i g h e s ts u r f a c eh a r d n e s sr e a c h e d12 0 0 h v ( a b o v e7 0 h i ) a n dw a sg r a d e dd i s t r i b u t i o n a ta b o u t1o o 岬f r o mn l es u 渤c e ，n l eh 鲫d n e s ss t i r e a c h e d9 4 2 h v ( a b o v e6 7 h r c ) ，s o 血ea l l o y e d1 a y e rs a t i s f i e dm eh a r d n e s ss t a l l d a r d o fs u p e r - h a r dh i g h s p e e ds t e e l b e s i d e s ，a t6 2 5 ，t h eh o th a r d n e s sc o u l dr e a c h e d 8 5 6 h v ( 6 5 h r c ) a i l ds u 平a s s e d 也eh o th a r d n e s so fc 伽【t a i l l e d c o b a l ts u p e rh s s m 4 2 ( 5 9 h r c ) a 1 1 dc 0 5 ( 6 2 2 h r c ) s ot h es u r ：f a c ec o n t a i n e dc o b a j ts u p e rh s sh a d b e t t e rt e m p e r i n gr e s i s t a n c es t a b i l i 哆 5 n em a i nc a r b i d es 州e sa n di n t e m a t a l l i c c o n l p o u n d s o fw - m o - c o p e 肋e a t i o ns u f f a c ec o n l p o u n di n t e n s i 毋i n gt r e a t m e n tw e r em c ，m 2 c ，m 6 c ) c r 7 c 3 c 0 3 wa i l df e 7 m 0 3 6 n ew e a rr e s i s t a i l c eo f1 0 wa 1 】o ys t e e l2 0 c r 2 v 2 碰e rw - m o c op e 彻e a t i o n s u r f a c ec o m p o u n di i l t e n s i f y i i l gt r e a t m e n t sw a se x c e u e n tc o i i l p a r et ol o wa l l o ys t e e l 2 0 c r 2 v 2i n t e n s i 劬n gt r e a t m e n t s i l lc o n t r a s t ，m es u 血c ec o i n p o u n di 1 1 t e n s i f i e d 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太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 表面工程概述 第一章综述弟一早练尬 1 1 1 材料的失效原因及表面工程在国民经济中的重要地位 材料的失效有很多原因，最常见的有腐蚀、磨损和疲劳。腐蚀、磨损和疲劳是机械损坏 的主要形式，而且大多数的破坏都是先从表面开始产生裂纹等缺陷，进而逐步发展导致整体 失效。除材料自身因强度不足而引起整体的性能下降外，许多是因为零件表面状态的改变而 导致整体使用性能下降，甚至产生报废。每年因腐蚀和磨损造成的金属材料的损失达几百亿 美元。这些损失均是因为表面质量被破坏，使得机器不能正常工作。据统计，世界钢产量的 1 0 由于腐蚀而损失，机电产品提前失效中约7 0 要归因于腐蚀和磨损。我国每年因腐蚀造 成的经济损失至少达2 0 0 0 亿元，发达国家每年因金属腐蚀造成的直接经济损失约占其国民生 产总值的2 4 【l 刃。世界上各国每年因磨损造成的损失也是巨大的。 如果将机械零件表面质量改善，性能提高，将会提高机械零件的使用寿命，从而提高 服役时间。这将使损失大大下降，经济效益明显提高。采用表面工程技术可以大幅度改善材 料的表面性能，有效延长其使用寿命，节约资源，提高生产力，减少环境污染。表面工程技 术之所以有如此大的功效，在于它可以以多种技术在材料表面制备出性能优于本体材料的表 面功能性薄膜，其厚度一般为几微米到几毫米，仅为结构尺寸的几百分之一到几十分之一， 却使材料表面具有了比本体材料更高的耐磨性，抗腐蚀性和耐高温等性能【3 1 。因此，即使采 用性能优异的贵重、稀有元素，也不会显著提高成本，对于缓解世界性的资源短缺具有重要 意义，其经济效益和社会效益是难以估量的。据不完全统计，仅我国自第6 个五年计划以来 通过表面工程在设备维修领域和制造领域推广应用已取得了几百亿元的经济效益。根据英国 科技开发中心的调查报告，英国主要依靠表面工程而获得的产值每年超过5 0 1 0 0 亿英镑， 其他工业国家的情况也基本相当1 4 】。 目前，许多国家都致力于研究各种表面技术及工艺研究，开发出大批实用、先进、高效 的表面工程技术，其中技术成熟并己投入工业应用的表面工程技术己多达上百种，许多表面 技术以其高度的实用性和显著的优质、高效和低耗的特点，在航空航天、汽车、能源、石油 太原理工大学硕士研究生学位论文 化工、矿山等工业领域得到了越来越广泛的应用，取得了巨大的经济效益。 1 1 2 表面工程的发展历史 表面工程的发展历史悠久，早在公元前3 世纪，我国已采用金、汞、齐鎏金术在金属表 面上镀金以增加其美观性，同时达到防腐蚀的效果。近年来出土的秦始皇时代的青铜剑和大量 箭杵有的至今还毫无锈蚀，对其表面组织及成分的鉴定分析表明，早在2 0 0 0 多年前，我国似 乎已掌握了与现代铬酸盐或重铬酸盐钝化处理相似的表面技术。最早知道的表面技术是表面 热处理，公元前2 0 0 0 公元前1 5 0 0 年，在埃及和印度，人们最早尝试通过表面硬化用于强 化铁器。大约公元前1 2 0 年，中国就开始使用钢的淬火技术，豆类谷物也开始用作渗碳材料， 进行钢的碳氮共渗。涂料技术发展得也较早，但是它一直主要用于装饰，进入本世纪后，开 始用作保护性和装饰性的涂层。电镀技术的发明始于1 7 8 9 年，并在1 9 4 0 1 9 5 6 年得到快速 发展。现在先进的电刷镀和化学镀等技术发展很快。本世纪初，瑞士的a s c h o o p 首先用高 速气流喷涂熔化的金属彳导到金属薄层。2 0 世纪的下半叶，随着等离子弧、电弧燃气火焰的发 展，使热喷涂的内涵更加丰富。2 0 世纪中叶以后，在等离子束、电子束、激光束等高能束和 真空技术的发展基础上，大量先进的现代表面技术，如各种p v d 、c v d 、激光表面处理、电子 束表面处理、离子束表面处理、以及微波等离子体表面处理等技术开始得到迅猛发展【5 】。 尽管表面工程的发展历史悠来已久，但表面工程概念却是在2 0 世纪8 0 年代才被正式提 出。1 9 8 3 年英格兰伯明翰大学t o mb e l l 教授首次提出了表面工程概念，同年伯明翰大学沃 福森表面工程研究所建立，1 9 8 5 年表面工程国际刊物正式出版，标志了表面工程学科的 产生和发展【6 】。1 9 8 5 年召开了第一届表面工程国际会议。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。此后，国际 上便兴起了表面工程研究热潮。在我国，中国机械工程学会于1 9 8 7 年首次建立了学会性质的 表面工程研究所，并于1 9 8 8 年1 1 月在北京召开全国首届表面工程现状与未来研讨会，标志 着我国表面工程学科的正式启动。同年，第一本中国的表面工程期刊创办并面向国内外 公开发行。1 9 9 3 年中国机械工程学会表面工程分会正式成立，并于1 9 9 7 年和1 9 9 9 年分别在 上海和武汉召开了表面工程国际会议。1 9 9 7 年表面工程经原国家科委正式批准更名为中 国表面工程。表面工程学会的成立及表面工程会议的频频召开，使我国表面工程的发展达到 了一个新的高度1 7 j 。 表面工程技术成为8 0 年代世界】0 项关键技术之一，进入9 0 年代，其发展势头方兴未艾， 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 成为美国工程科学院向美国国会提供的2 0 0 0 年前需加强发展的9 项新科学技本项目之一例。 我国的表面工程发展也异常迅速，在我国的大专院校、科研院所、工矿企业里相继建立了数 以百计的以“表面工程”或“表面工程技术 命名的研究机构和企业，各种以表面工程、表 面技术命名的学术组织和学术会议也层出不穷。材料表面改性作为传统材料性能优化的基础 研究被列入国家自然科学基金“九五优先资助领域。由于表面工程的显著作用和重要地位， 许多先进的表面工程技术及其基础理论研究被列入了国家9 7 3 项目、国家重点技术创新项目、 国家重点科技攻关项目等。一些国内外知名专家预言，表面工程将是一项主导2 1 世纪的关键 技术。 1 1 3 表面工程的概念及分类 。表面工程是指通过表面涂覆、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、组织结构和应力状态，以获得所需表面性能的系统工程9 1 。 表面工程的技术种类繁多，不同的学者从不同角度对其进行了分类。按照其作用原理， 将其分为以下4 种基本类型1 0 1 ： 原子沉积。沉积物以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度的粒子形态在材料表面上形 成覆盖层，如电镀、化学镀、物理气相沉积和化学气相沉积等。 颗粒沉积。沉积物以宏观尺度的颗粒形态在材料表面上形成覆盖层，如热喷涂、搪瓷涂敷 等。 整体覆盖。它是将涂覆材料于同一时间施加于材料表面，如堆焊、热浸涂、包箔、贴片和 涂刷等。 表面改性。它是用各种物理、化学等方法处理表面，使之组成和结构发生变化，从而改变 性能，如等离子表面处理、化学热处理、激光表面处理、电子束表面处理和离子注入等。 其实，前三种都是通过向表面覆盖一层具有特殊物理、化学性能的薄膜来起到提高表面 性能的方法，所以有的学者将前三种方法统称为表面涂镀技术。而表面改性如果根据基体表 面成分是否变化还可细分为表面合金化和表面强化。因此另一种分类法是将表面技术分为三 种： 表面涂镀技术：包括电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积、热喷涂、搪瓷涂敷堆 焊、热浸涂、包箔、贴片和涂刷等； 表面强化技术，包括表面硬化，表面淬火，喷丸强化等； 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 表面合金化技术，包括各种气体渗金属、液体渗金属、固体渗金属( 如气体渗碳、液体渗 氮、固体渗铬等) ，以及随着激光技术，离子束技术、等离子技术的发展而出现的激光表 面合金化、离子注入、离子渗金属等。 无论采取何种表面工程技术，其功能都可以概括为以下几个方面1 2 】： 提高材料抵御环境作用的能力，如提高材料耐磨性、耐蚀性及疲劳强度。 赋予材料表面某种功能特性，包括光、电、磁、热、声、吸附分离等各种物理和 化学性能。 实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件等。 1 1 4 表面工程的发展前景 随着对材料表面性能的要求不断提高，表面工程在现代制造业中愈来愈受到重视。表面 工程通过将表面与基体作为一个系统加以设计，可以获得任何单独一方都不可能达到的高性 能价格比。现代工业的不断发展对电子、机械、材料等提出了更高的要求，为表面工程的发 展提供了更为广阔的应用前景；各种相关技术及理论的不断发展进步为表面工程注入了活力， 提供了技术支撑；能源、资源的日趋紧张为表面工程的应用及发展提出了迫切需求。美国商 务部门分析认为，表面工程将同新材料技术、计算机技术、生物技术、电子技术、医学技术 等七项成为直到2 1 世纪发展的关键技术1 3 t 1 4 1 。据悉，我国有关部门已经把表面工程作为一项 重要内容列入2 0 1 0 年长远发展计划1 1 5 1 6 l ，将其作为一项重大的节能措施大力组织实施。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，定将带动航空航天，信息技术、电子技 术、等高科技领域的快速发展。 1 2 表面合金化技术 1 2 1 表面合金化技术概述 表面合金化技术是通过物理或化学方法，在基体材料表面渗入一些金属元素或非金属元 素，从而改变基体材料的成分和组织结构，以改善或获得所需要的表层性能n 7 1 。与表面镀膜 相比，其最大的特点是表面与基体之间为冶金结合，不会发生表层剥落现象。最早的表面合 金化技术是化学表面热处理，早在2 0 0 0 多年以前，我国就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1 8 】。化学表面热处理的缺点是渗速慢，当进行多元共渗时，合 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 金元素含量难于控制，对环境污染大。2 0 世纪3 0 年代德国的b b e r g h a u s 发明了离子氮化并 于1 9 3 2 年获得美国专利权【1 9 1 。离子氮化与气体氮化相比，大大提高了氮化速率，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1 1 9 】。离子表面合金化的特点是合金元素的渗速快，污染小，但缺点 是不能进行金属元素的渗金属。2 0 世纪8 0 年代我国学者徐重教授在多年研究离子氮化中， 发明了双层辉光离子渗金属技术【2 0 】。该技术弥补了离子氮化技术只能用于少量非金属元素的 不足，使离子轰击热处理领域扩大到了大量的固态合金元素。与此同时，随着离子束、电子 束、激光束的发展，离子注入、激光表面合金化，电子束表面合金化等也相继出现，大大丰 富了表面合金化技术。 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 h 4 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 ) 活性原子向工件内部的扩散 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，从而得到一定厚度的扩散层。 1 2 3 表面合金化技术的分类 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 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 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) 伫。 ( 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 等离子体表面合金化是利用在稀薄气体中阴极( 工件) 与阳极之间的辉光放电所产生的 等离子体而进行的表面冶金方法。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 3 双层辉光离子渗金属技术概述 双层辉光离子渗金属技术是我国徐重教授在离子氮化技术基础上发展起来的一项等离子 表面冶金技术2 2 2 3 】，是我国学者发明的具有自主知识产权的表面冶金新技术。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。自发明之日起，引起国内外学术界 和工业界的关注和重视。1 9 8 5 至今，该技术已先后获得美、英、加、澳、瑞典、日等多国专 利阱捌，被称为“徐氏合金化法”( x u t e cp r o e e s so rx u l o yp r o c e s s ) 。1 9 9 2 年，该技 术获国家发明二等奖，同年被选入国家“8 6 3 高技术研究计划项目，1 9 9 4 年被确定为国家 “8 6 3 ”重大关键技术项目，1 9 9 6 年2 月通过了国家科委和国家“8 6 3 专家委员会的验收。 1 9 9 7 年又被入选为? 九五”国家“8 6 3 项目，并于2 0 0 0 年1 2 月通过了国家“8 6 3 专家委 员会的验收冽。 1 3 1 基本原理 双层辉光离子渗金属技术的基本原理如图1 1 所示。它是在一个真空容器内设置阳极、 阴极( 工件) ，以及提供欲渗合金元素的源极，阳极和阴极以及阳极和源极之间各设一个直流 可调压电源。当真空室抽真空到极限时，充以惰性气体达到一定工作气压后，接通两个直流 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，此即所谓“双层辉光放电现 象。利用辉光放电中的溅射现象和空心阴极效应，将源极中的欲渗合金元素溅射出来，在 电场的作用下，这些被溅射出来的合金元素的离子、原子，吸附在被离子轰击加热到高温的 阴极工件表面，扩散进入工件内部，形成表面合金扩散层。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 i n e r tw a t e fva c u ：u r n g a s 凹s t e m 图l l双层辉光离子渗金属试验装置示意图 f 嘻l ls c h e m a 缸d i a 伊a mo fd o u b l e 舀o wp l a s m as u f f 矗c ea l l o 扣唱t e c h n i q u e 双层辉光离子渗金属技术有三种放电模式，分别是独立放电模式，空心阴极放电模式和 脉冲放电模式。其中，常用的是空心阴极放电模式，即当源极和工件之间的距离较小或工作 气压较低时，两者的负辉区相互重叠而使放电电流倍增。随渗入元素、基体材料以及源极形 式等不同，源极电位可以低于、等于或高于工件电位。 1 3 2 技术特点 同其它表面合金化技术相比，双层辉光离子渗金属技术具有自身的一些优点： 1 离子的轰击作用可以清洁活化工件表面，促进合金元素的吸附，同时在工件表面产生 高密度空位群，使扩散系数提高，扩散速度增加，渗速较普通固体渗金属、液体渗金属、气 体渗金属快。 2 采用固体源极材料作为合金元素的供给源，适用于任意合金元素的单元渗及多元共渗， 包括高熔点合金元素如钨、钼等。 3 可以根据合金层的成分需求设计源极成分，合金层成分基本可控，这是许多传统渗金属 方法所难以做到的。 4 合金层主要依靠扩散方法形成，合金元素在表面与基体之间呈梯度分布，合金层与基 体之间为冶金结合，非常牢固，不易脱落，克服了各种表面镀膜技术存在的膜基结合问题。 5 渗层厚度根据材料和工艺不同可在几个p m 到几百个岬变化，大大高于离子注入技 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 术。 6 利用离子轰击直接加热工件，无需外加热源，节约能源，无污染。 1 3 3 双辉技术的现状与发展 目前，双层辉光离子渗金属技术已经成功的在钢铁材料表面进行了w 、m o 、c r 、n i 、v 、 z r 、t a 、a 1 、t i 、p t 等单元素渗，n i c r 、w m o 双元素共渗，n i c r m o 、w m o c o 、c o c r n i m o 等多元素共渗以及渗金属之后再渗碳或氮化、渗金属后再淬火、回火等复合处理，在钢铁材 料表面成功研制了高速钢、不锈钢、镍基合金等高性能材料口蝴】。基体材料也已经从钢铁材 料拓展到钛合金、t 认l 高温合金、铜合金等材料3 5 。刀。有关双辉技术的一些基础理论研究， 如离子轰击条件下的扩散机制、辉光放电工艺参数和等离子参数对合金渗层的影响、双层辉 光放电条件下等离子体的特性、多元离子共渗过程及合金渗层成分可控性等已经逐步展开， 并取得了大量研究成果3 “n 。 双层辉光离子渗金属手用锯条是双辉技术最成功的应用之一【4 2 1 。该锯条采用低碳钢或低 合金钢制成的锯条毛坯，通过双层辉光离子钨钼共渗和渗碳处理，使其齿部形成高速钢，再经 淬火及回火后形成的一种新型锯条。该新型锯条强韧不断，其切削性能己达到国外高速钢手用 锯条的水平，正在被国内外市场所接受。除手用锯条外，该技术在大面积低碳钢钢板，化工用 阀门，汽油机排气阀，高尔夫球杆杆头以及机用锯条等方面的应用也取得较好的效果【2 9 】。 在双层辉光离子渗金属技术的基础上，还发展了多弧离子渗金属技术，加弧辉光离子渗金 属技术，双层辉光膏剂渗金属技术，双辉钎焊技术，陶瓷材料表面金属化及异材焊接技术，双阴 极辉光放电合成硬质薄膜技术，空心阴极放电烧结高熔点材料技术，空心阴极放电制备纳米粉 技术等一系列新技术h 3 4 习。 1 4 高速钢概述 高速钢是高速工具钢的简称。在我国冶金业中一般简称高工钢，民间还俗称为锋钢。它 虽年产量不大，但由于成分复杂，合金含量高，生产工艺与性能特殊，价格昂贵，因此在特 殊钢中一直占有独特的地位。高速钢是由大量w 、m o 、c o 、c r 、v 等元素组成的高碳、高合金 钢，具有很高的硬度、红硬性及耐磨性，其硬度般高于h r c 6 3 ，其中超硬高速钢淬火、回 火后的硬度高达h r c 6 8 7 0 。一般高速钢在高速切削时，刃口温度高达6 0 0 左右，硬度仍保 持在h r c 5 5 以上，其主要用途为制造各种机床的切削工具，也部分用于高载荷模具，航空高 太原理工大学硕士研究生学位论文 温轴承及特殊耐热耐磨零部件等晰】。 1 4 1 高速钢的发展简史 高速钢的使用已有近百年的历史，它是机械加工中的主要切削刀具。其发展历史如表1 1 所示蛔。 袁1 1 高速钢的发展历史 7 r a b 1 一ld c v e l 叩武n t a lh i s t 0 巧0 f h i g h 哗ds t e e l 年代大事记 1 8 7 0 18 9 8 英国m u a h e t 自硬钢( c 2 0 ，w 6 ，m i l 2 5 ) ，切削中碳钢速度达到8 i i l m i l l 美国fw t a y b f 和英国m 肌沱发明接近钢熔点的高温淬火和高温回火，并以c r w 钢 1 8 9 8 19 ( ) 0 ( c 1 8 5 ，w 8 ，c r 3 8 ) 取代m u s h e r 的m n w 自硬钢，从而创立了高速钢。切削中 碳钢的切削速度达2 0 m ，m i n 。1 9 0 0 年在巴黎国际博览会上表演高速切削成功 1 9 0 3 出现现代高速钢的原始成分( ) ：c o 7 、w 1 4 、c r 4 1 9 0 4 美国j o hm a u l e w 向高速刚中加入o 3 v 1 9 0 6 试用电炉冶炼高速钢 确立t 1 ( w 1 8 c r 4 v ) 钢成分( c 0 7 5 、w 1 8 c r 4 0 、v 1 o ) ，切削中碳钢速度达 1 9 l o 3 0 m ，m i i l 1 9 1 2 德国b e c k e r 向钢中加入3 5 c o ，提高了钢的热硬度 1 9 1 8 3 吨电弧炉试炼高速钢成功，替代了坩埚炉，得以生产较大尺寸的钢锭和钢材 1 9 2 3加入c o 量达1 2 一1 5 ，切削速度达4 0 抛 】9 3 2美国j v e 衄s 发明以m o 代替w 的高钼钢m 1 1 9 3 7 美国w b r e e l _ 正l r 发明w 二m o 系钢m 2 美国j p g i l l 发明高碳高钒钢，称s u p e r h s s ，含钒3 一5 ，淬回火硬度达h r c 6 7 6 8 ， 1 9 3 9 耐磨性好，但可磨削性差 1 9 5 3 出现加硫( 0 0 5 2 ) 易切削高速钢 平衡碳原理提出与应用，美国发明m 4 0 系列钢，硬度达到h r c 7 0 德超硬( e x 吼h a r d ) 1 9 5 8 1 9 6 3 钢，最早为m 4 l 和m 4 2 1 9 6 5 美国c m c i b l e s t e e t s 公司发明粉末冶金法生产高速钢 瑞典s t o f a a s e a 粉末冶金高速钢投产；电渣重熔高速钢开始用于大截面材生产；高速 1 9 7 0 钢用于高载荷冷作模具日益增多 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 9 8 0氮化钛涂层的物理气相沉积法( p 、) 成功用于部分高速钢刀具，使用寿命成倍提高， 对高速钢的应用和发展具有重要意义 粉末高速新钢种热处理硬度达h r c 7 0 7 2 ；综合性能优良的低合金高速钢重新受到重视 1 9 9 0 和发展，替代部分通用钢，以节约合金资源 1 4 2 高速钢的发展趋势 从w 系、m o 系以及w - m o 系等通用高速钢，到含钴超硬高速钢，粉末冶金高速钢，高速 钢的性能在不断提高。随着世界资源日趋紧张，合金的价格不断上涨，各种刀具材料都面临 着进一步提高性能和节约资源，降低成本的挑战，高速钢因在制造复杂刀具中的重要地位， 也面临着同样的问题。 高速钢合金化理论的不断完善以及各种表面技术的不断发展为高速钢的进一步发展提供 了理论基础及技术支持。目前高速钢的发展方向主要有以下几个方面： 1低合金高速钢的研究。为了减少贵重合金元素的使用量，降低高速钢的成本，世界各国正 在加紧研制低合金高速钢。以通用高速钢的基本成分为基础，将w 、m o 等贵重合金元素总量 降为通用高速钢的l 2 1 3 ，再加入s i 、n 、稀土等元素，以保证其主要性能不低于通用高 速钢。世界各国已相继开发了s w 3 s 2 ( 波兰) ，d 9 5 0 ( 瑞典) ，v a s c od y n e ( 美国) ，3 0 1 、d 1 0 1 和d 1 0 6 ( 中国) 等低合金高速钢。 2 高性能高速钢的研究。高性能高速钢，也称特种高速钢，泛指硬度