CN100567517C - 在基材表面形成含钴超硬高速钢的表面冶金工艺 - Google Patents
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Abstract
一种含钴超硬高速钢的表面冶金工艺属表面冶金范畴。其特征在于：首先利用双层辉光放电离子渗金属技术在价格较低廉的铁基材料表面渗入合金元素，形成表面合金层，接着进行渗碳处理形成表面高速钢合金层，随后进行热处理使其具有超硬高速钢所具有的优异性能。其硬化特征是通过析出细小弥散的合金碳化物和金属间化合物而发生硬化，通过淬火和回火处理后的被渗工件表面硬度达到1000～1150HV。本发明优点在于：没有由于结晶过程而形成的粗大一次碳化物，解决了传统的冶炼、锻轧高速钢生产中难以克服的碳化物不均匀问题。表面冶金高速钢的碳化物细小弥散，大大提高了硬化效果，节约了大量合金元素，降低了成本，可广泛用于制造各种机床的切削工具。
Description
一、技术领域
本发明在基材表面形成含钴超硬高速钢的表面冶金工艺属表面冶金范畴。具体而言是一种含钴超硬高速钢的固态表面冶金工艺。
二、背景技术
目前使用的含钴超硬高速钢是通过冶炼方法由液态向固态结晶凝固并经一定的热处理而形成的。超硬高速钢因其高的硬度、红硬性及耐磨性，越来越受到人们的广泛关注。这种高性能超硬高速钢在欧美各国已占高速钢总量的20％-25％，但在我国由于钴资源较缺，价格昂贵，含钴高速钢生产很少，还不到1％，因此长期不能满足工具行业制造高性能刀具的需要。1985年5月28日，由我国学者发明的双层辉光放电离子渗金属技术取得了美国专利权。该专利技术是利用稀薄气体中的辉光放电及溅射现象，在真空容器中设置由欲渗合金元素组成的源极及放置工件的阴极。源极和阳极之间的辉光放电使合金元素溅射出来并奔向被离子轰击加热至高温的工件表面，然后再借助于沉积扩散过程使工件表面形成含有欲渗合金元素的合金层。现已公开的中国专利CN87104358.0是利用双层辉光离子渗金属技术形成高合金层以后进行渗碳、淬火处理，但是渗入的合金中不包含钴，达不到超高硬度。另外公开的中国专利98119062.6是利用双层辉光离子渗金属技术形成高合金层以后进行固溶时效处理，其强化机理是靠金属间化合物来实现的。
三、发明内容
本发明在基材表面形成含钴超硬高速钢的表面冶金工艺，其目的在于：首先利用双层辉光放电离子渗金属技术在价格较低廉的铁基材料表面渗入合金元素，形成表面合金层，接着进行渗碳处理形成表面高速钢合金层，随后进行热处理使其具有超硬高速钢所具有的优异性能。
本发明在基材表面形成含钴超硬高速钢的表面冶金工艺，其特征在于：
I采用一个抽成真空的密封容器作为渗金属炉，其极限真空度为(＞0)～5Pa，密封容器的炉体作为阳极，被渗工件作为阴极，欲渗合金元素作为源极，在阳极和阴极以及阳极和源极之间各设有0～1500伏的可调压直流电源，其渗金属炉内的工作气压在5～1333Pa；
II将欲渗合金元素钨、钼和钴，用粉末冶金方法压制成板状、条状或刷状作为源极，其成分为钴：40～50％，钨：35～40％，钼：15～20％，作为阴极的被渗工件材料为低合金钢、不锈钢或耐热钢，被渗工件与源极之间的距离为15-20mm；
III渗金属时充入惰性气体氩气或氮气作为保护气体，炉内气压控制在30～70Pa，在1100～1150℃温度范围内渗金属，保温4～6小时，源极与阳极电压为600～1000V，阴极与阳极电压为350～700V，利用双层辉光放电中的空心阴极效应进行加热源极及被渗工件并在被渗工件表面形成高合金层，其高合金层的成份是Cr：0～8％；Co：6～15％；Mo：4～13％；V：0～2％；W：2～8％，其余Fe；
IV将上述III制得的渗金属后的被渗工件埋入装有固体渗碳剂的渗碳箱内，放在固体渗碳炉里进行渗碳，选用由碳酸钡和木炭或者由碳酸钡、木炭和碳酸钠组成的固体渗碳剂，渗碳温度为860～930℃，保温时间为5～8h，渗碳后的被渗工件表面高合金层中的C含量达到0.7～1.5％，其所述的固体渗碳剂在使用后与新的固体渗碳剂按照7∶3～3∶1的比例混合可反复使用；
V将渗完碳的被渗工件进行淬火和回火处理，淬火温度为1180～1260℃，加热时间随被渗工件尺寸而定为2～5分钟，在水中或油中冷却；回火温度为500～560℃，加热时间20～60分钟，回火1～2次，渗完碳的被渗工件表面层通过淬火和回火处理发生强烈的二次硬化，其硬化特征是通过析出细小弥散的合金碳化物和金属间化合物而发生硬化，通过淬火和回火处理后的被渗工件表面硬度达到1000～1150HV。
本发明在基材表面形成含钴超硬高速钢的表面冶金工艺优点在于：①利用双层辉光离子渗金属技术制备的表面超硬高速钢，是一种物理固态冶金法，没有由于结晶过程而形成的粗大一次碳化物，避免了传统的冶炼、锻轧高速钢生产中难以克服的碳化物不均匀问题。表面冶金高速钢的碳化物细小弥散，大大提高了硬化效果。通过硬度检测可知，表面合金层的硬度超过70HRC，达到甚至超过了普通超英高速钢的水平。②由于是表面合金化，因而节约了大量合金元素，特别是钴，节省了资源，降低了成本，提高了产品的市场竞争能力。③实验证明，与普通含钴型超硬高速钢相比，表面合金在较宽的成分范围和较宽的工艺范围获得满意的性能，因而渗金属工艺和热处理工艺都易于执行。④由于表面合金具有梯度成分，与普通合金相比，它不但具有高的强度，而且还具有优良的韧性。本发明工艺处理的工件可以满足对于表面性能要求较高的情况，广泛用于制造各种机床的切削工具，也部分用于高载荷模具，航空高温轴承及特殊耐热耐磨零部件等。对于一些不仅表面要求高而心部也要求高强度工件，可以首先选择较高强度的基材再进行本发明的处理工艺，可达到其使用要求。
四、实施方式
实施方式1 I采用一个抽成真空的密封容器作为渗金属炉，其极限真空度为(＞0)～5Pa，密封容器的炉体作为阳极，被渗工件作为阴极，欲渗合金元素作为源极；II将欲渗合金元素钨、钼和钴，用粉末冶金方法压制成板状，其成分为钨：40％，钼：20％，钴：40％，作为阴极的被渗工件材料为低合金钢20CrV2，渗金属时充入氩气作为保护气体，炉内气压控制在30Pa，在1150℃时渗金属，保温4小时，源极与阳极电压为900V，阴极与阳极电压为550V，被渗工件与源极之间的距离为15mm，利用双层辉光放电中的空心阴极效应进行加热源极及被渗工件并在被渗工件表面形成高合金层，其高合金层成分是钴：12％，钨：8％，钼：6％，铬：1.5％，钒：1％，其余铁；IV将上述III得到的渗金属后的被渗工件埋入装有固体渗碳剂的渗碳箱内，放在固体渗碳炉里进行渗碳，选用由碳酸钡和木炭组成的固体渗碳剂，渗碳温度为930℃，保温时间为8h，渗碳后的被渗工件表面高合金层中的C含量达到1.2％，其所述的固体渗碳剂在使用后与新的固体渗碳剂按照7∶3的比例混合可反复使用；V将渗完碳的被渗工件进行淬火和回火处理，淬火温度为1230℃，加热时间随被渗工件尺寸而定为2.5分钟，在油中冷却；回火温度为560℃，加热时间60分钟，回火2次，渗完碳的被渗工件即含钴超硬高速钢表面层通过淬火和回火处理发生强烈的二次硬化，其硬化特征是通过析出细小弥散的Cr7C3、VC、(W、Mo)2C、[Fe3(W、Mo)3]C、[Fe2(W、Mo)4]C、(Fe、Co)3(W、Mo)2和(Fe、Co)7(W、Mo)6而发生强烈的硬化作用，通过淬火和回火处理后的被渗工件表面硬度达到1100HV。
实施方式2II将欲渗合金元素钨、钼和钴，用粉末冶金方法压制成板状，其成分为钨：35％，钼：15％，钴：50％，作为阴极的被渗工件材料为低合金钢20CrV2，炉内气压控制在40Pa，在1130℃时渗金属，保温4小时，阴极与阳极电压为450V，其高合金层成分是钴：15％，钨：8％，钼：5％，C铬：2％，钒：1.5％，其余铁；其它同实施方式1。
实施方式3欲渗合金元素钨、钼和钴的成分同实施方式2，炉内气压控制在50Pa，在1100℃时渗金属，保温6小时，阴极与阳极电压为500V，被渗工件与源极之间的距离为18mm，其高合金层成分是钴：10％，钨：5％，钼：4％，铬：1％，钒：0.5％，其余铁；选用由碳酸钡、木炭和碳酸钠组成的固体渗碳剂，渗碳温度为920℃，渗碳后的被渗工件表面合金层中的C含量达到1.1％，其所述的固体渗碳剂在使用后与新的固体渗碳剂按照3∶1的比例混合可反复使用；淬火温度为1200℃，加热时间随被渗工件尺寸而定为3分钟，通过淬火和回火处理后的被渗工件表面硬度达到1000HV，其它同实施方式1。
Claims (1)
1、在基材表面形成含钴超硬高速钢的表面冶金工艺，其特征在于：
I采用一个抽成真空的密封容器作为渗金属炉，其极限真空度为(＞0)～5Pa，密封容器的炉体作为阳极，被渗工件作为阴极，欲渗合金元素作为源极，在阳极和阴极以及阳极和源极之间各设有0～1500伏的可调压直流电源；
II将欲渗合金元素钨、钼和钴，用粉末冶金方法压制成板状、条状或刷状作为源极，其成分为钴：40～50％，钨：35～40％，钼：15～20％，作为阴极的被渗工件材料为低合金钢、不锈钢或耐热钢，被渗工件与源极之间的距离为15-20mm；
III渗金属时充入惰性气体氩气或氮气作为保护气体，炉内气压控制在30～70Pa，在1100～1150℃温度范围内渗金属，保温4～6小时，源极与阳极电压为600～1000V，阴极与阳极电压为350～700V，利用双层辉光放电中的空心阴极效应进行加热源极及被渗工件并在被渗工件表面形成高合金层，其高合金层的成份是Cr：0～8％；Co：6～15％；Mo：4～13％；V：0～2％；W：2～8％，其余Fe；
IV将上述III制得的渗金属后的被渗工件埋入装有固体渗碳剂的渗碳箱内，放在固体渗碳炉里进行渗碳，选用由碳酸钡和木炭或者由碳酸钡、木炭和碳酸钠组成的固体渗碳剂，渗碳温度为860～930℃，保温时间为5～8h，渗碳后的被渗工件表面高合金层中的C含量达到0.7～1.5％，其所述的固体渗碳剂在使用后与新的固体渗碳剂按照7∶3～3∶1的比例混合可反复使用；
V将渗完碳的被渗工件进行淬火和回火处理，淬火温度为1180～1260℃，加热时间随被渗工件尺寸而定为2～5分钟，在水中或油中冷却；回火温度为500～560℃，加热时间20～60分钟，回火1～2次，渗完碳的被渗工件即含钴超硬高速钢表面层通过淬火和回火处理发生强烈的二次硬化，其硬化特征是通过析出细小弥散的合金碳化物和金属间化合物而发生硬化，通过淬火和回火处理后的被渗工件表面硬度达到1000～1150HV。
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| T8钢表面W-Mo-Co多元共渗层的组织和性能. 张艳梅，李忠厚，张平则，徐重.太原理工大学学报，第37卷第4期. 2006 |
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