双辉离子渗含钛表面高速钢的研制
|
摘要
采用双层辉光离子渗金属技术，对不同含碳量的试样
表面进行W、Mo、Ti三元共渗，使试样表面形成类似高速
钢合金成分的等离子合金化层（简称“渗层”或“渗金属
层”）。渗金属层可获得合金铁素体，合金珠光体和白亮层
三种不同类型的渗层组织。在不同工艺参数和源极成分配
比下，通过对试样渗金属层的显微组织、合金元素含量进
行分析和研究，发现含钛表面高速钢渗层的厚度和合金元
素浓度与工艺参数、源极成分配比密切相关，并得出以下结
论：合金元素成分（C）和渗层厚度（Ld）随着源极电压的提高
而增加；C和Ld随着阴极电压的提高呈∧型，最佳值在
400～500V间；C和Ld随着气压的提高也呈∧型，最佳值在
40～70帕；C和Ld随着极间距的增大而减少，控制在15～20mm
之间为最佳；C和Ld随着温度的升高而增加，渗层厚度与
加热温度呈指数关系，与保温时间呈抛物线关系，类似于
化学热处理；C和Ld随着基体含碳量的提高而迅速降低；
增加源极成份配比中Ti的比例，可以提高渗层中钛元素的
浓度；无论采取何种工艺参数和钢种，渗层的显微硬度总
比基体的显微硬度高。在本试验中，利用现有实验设备的
条件和检测手段，采用下列工艺参数值：源极电压（Vs）
1000V；阴极电压（Vc）400V；气压（p）70帕；极间距（d）20mm；
加热温度（T）1100℃；保温时间（τ）5h。试样名称，纯铁
或20钢；源极成分配比，含Ti30％、50％（W、Mo各占其
余量的50％）、100％。
再把最佳工艺参数和源极成分配比下的双辉渗试样经渗
碳，淬、回火，制成一种新型的高速钢——含钛表面高速
北京工业大学硕士学位论文 摘 要
钢。试验结果表明，渗碳后渗金属层的显微组织是合金珠
光体十合金碳化物，而且合金碳化物的分布与普通冶铸高速
钢相比更为细小、弥散、均匀；利用X射线衍射微区分“析，
测得第二相分别为 MsC（Fe。C）、M。C（Fe。W＊）不 MC（TI、
Y－MOC、WC）型碳化物；对于不同源极配比和不同钢种的渗
金属渗碳试样，其渗层显微硬度比基体显微硬度高。淬、
回火后含钛表面高速钢的显微组织为回火马氏体和其上分
布着的均匀细小的粒状碳化物。其碳化物比普通冶铸高速
钢细小均匀得多；利用X射线衍射微区分析，测得第二相
分别为 M。C（Fe。W。C）、M，C。［（FeWMo），C。」禾 MC（TI、Y－MoC）
型碳化物；硬度为 760－890 HV。；，相当于 62－69HRC，心部
硬度 510 HV。；，相当于 50HRC。达到 了表层具有高硬度、
高耐磨性，而心部则具有足够的硬度和良好的弹性及韧性
的要求。红硬性仍可达 760HV0．；左右，相当于 62HRC。与
普通高速钢相比，其硬度、耐磨性及红硬性都有所提高。
By using the technique of Double-glow Plasma Surface Alloying
(DGPSA) W , Mo and Ti are solute together into the surface of
different carbon-content steels The alloying layer like the
composition of High Speed Steel is formed on the surface of
materials .There are three kinds of microstructure in the alloying
layer which are alloying ferrite , alloying pearlite and white-light
layer In the experiment , by analysing and studying the
microstructure , the carbon-content of substrate , the thickness of the
alloying layer in different processing parameter and different
composition proportion of the source-electrode , the best
processing parameters , carbon-content of the material and
composition proportion of the source-electrode are found and some
conclusions are reached that C(alloying element concentration) and
Ld(alloying layer thickness) increase along with increasing of heat
temperature , heat preservation time and source electrode voltage ; C
and Ld have a A outline along with increasing of air-pressure and
cathode voltage ; C and Ld decrease accompanied by increasing of
substrate carbon-content; whatever processing parameters and steel
III
abstract
type , micro-hardness of alloying layer is always higher than that of
substrate parts . According to the ability of our experiment
equipment and detection method ,the best processing parameters of
the experiment as follows source electrode voltage ( Vs) I000V
cathode voltage (Vc)400V ; atmospheric pressure (P)7OPa; distance
of the two electrode(d)2Omm ; heating temperature(T) 11000C ; heat
preservation time ( r ) 5h .The name of the sample , pure iron or 20
steel ; composition of source electrode Ti 30% , 50%( W,Mo are 50
percent of the rest ) and 100%.
And then the workpiece is hardened and tempered , a kind of new
type high speed steel 搒urface High Speed Steel containing Ti is
formed .The results of the experiment show that the micro-structure
of this new type surface high speed steel are composed of the
tempering martensite in the alloying layer and even tiny grain-like
carbide . By comparison with common high speed steel , the carbide
is more uniform and smaller ; the second phases are M6C
( Fe3W3C ) . M7C3[ (FeWMo)7C3]and MC(TiC. y -M0C) carbide
through the method of X-ray diffraction analysis ; the hardness of the
alloying layer is 760?90 HV0 which is equal to 62~-69HRC ,and the
hardness of core is 510 HV01 which is equal to 5OHRC ,this meets the
needs of high hardness in the surface layer and the enough hardness
good elasticity in the core of material .The high temperature hardness
of the alloying layer is about 760HV01 which is equal to 62HRC . By
comparison with common high speed steel , the hardness , wear-
resisting ability and the high temperature hardness of it are higher
表面进行W、Mo、Ti三元共渗，使试样表面形成类似高速
钢合金成分的等离子合金化层（简称“渗层”或“渗金属
层”）。渗金属层可获得合金铁素体，合金珠光体和白亮层
三种不同类型的渗层组织。在不同工艺参数和源极成分配
比下，通过对试样渗金属层的显微组织、合金元素含量进
行分析和研究，发现含钛表面高速钢渗层的厚度和合金元
素浓度与工艺参数、源极成分配比密切相关，并得出以下结
论：合金元素成分（C）和渗层厚度（Ld）随着源极电压的提高
而增加；C和Ld随着阴极电压的提高呈∧型，最佳值在
400～500V间；C和Ld随着气压的提高也呈∧型，最佳值在
40～70帕；C和Ld随着极间距的增大而减少，控制在15～20mm
之间为最佳；C和Ld随着温度的升高而增加，渗层厚度与
加热温度呈指数关系，与保温时间呈抛物线关系，类似于
化学热处理；C和Ld随着基体含碳量的提高而迅速降低；
增加源极成份配比中Ti的比例，可以提高渗层中钛元素的
浓度；无论采取何种工艺参数和钢种，渗层的显微硬度总
比基体的显微硬度高。在本试验中，利用现有实验设备的
条件和检测手段，采用下列工艺参数值：源极电压（Vs）
1000V；阴极电压（Vc）400V；气压（p）70帕；极间距（d）20mm；
加热温度（T）1100℃；保温时间（τ）5h。试样名称，纯铁
或20钢；源极成分配比，含Ti30％、50％（W、Mo各占其
余量的50％）、100％。
再把最佳工艺参数和源极成分配比下的双辉渗试样经渗
碳，淬、回火，制成一种新型的高速钢——含钛表面高速
北京工业大学硕士学位论文 摘 要
钢。试验结果表明，渗碳后渗金属层的显微组织是合金珠
光体十合金碳化物，而且合金碳化物的分布与普通冶铸高速
钢相比更为细小、弥散、均匀；利用X射线衍射微区分“析，
测得第二相分别为 MsC（Fe。C）、M。C（Fe。W＊）不 MC（TI、
Y－MOC、WC）型碳化物；对于不同源极配比和不同钢种的渗
金属渗碳试样，其渗层显微硬度比基体显微硬度高。淬、
回火后含钛表面高速钢的显微组织为回火马氏体和其上分
布着的均匀细小的粒状碳化物。其碳化物比普通冶铸高速
钢细小均匀得多；利用X射线衍射微区分析，测得第二相
分别为 M。C（Fe。W。C）、M，C。［（FeWMo），C。」禾 MC（TI、Y－MoC）
型碳化物；硬度为 760－890 HV。；，相当于 62－69HRC，心部
硬度 510 HV。；，相当于 50HRC。达到 了表层具有高硬度、
高耐磨性，而心部则具有足够的硬度和良好的弹性及韧性
的要求。红硬性仍可达 760HV0．；左右，相当于 62HRC。与
普通高速钢相比，其硬度、耐磨性及红硬性都有所提高。
By using the technique of Double-glow Plasma Surface Alloying
(DGPSA) W , Mo and Ti are solute together into the surface of
different carbon-content steels The alloying layer like the
composition of High Speed Steel is formed on the surface of
materials .There are three kinds of microstructure in the alloying
layer which are alloying ferrite , alloying pearlite and white-light
layer In the experiment , by analysing and studying the
microstructure , the carbon-content of substrate , the thickness of the
alloying layer in different processing parameter and different
composition proportion of the source-electrode , the best
processing parameters , carbon-content of the material and
composition proportion of the source-electrode are found and some
conclusions are reached that C(alloying element concentration) and
Ld(alloying layer thickness) increase along with increasing of heat
temperature , heat preservation time and source electrode voltage ; C
and Ld have a A outline along with increasing of air-pressure and
cathode voltage ; C and Ld decrease accompanied by increasing of
substrate carbon-content; whatever processing parameters and steel
III
abstract
type , micro-hardness of alloying layer is always higher than that of
substrate parts . According to the ability of our experiment
equipment and detection method ,the best processing parameters of
the experiment as follows source electrode voltage ( Vs) I000V
cathode voltage (Vc)400V ; atmospheric pressure (P)7OPa; distance
of the two electrode(d)2Omm ; heating temperature(T) 11000C ; heat
preservation time ( r ) 5h .The name of the sample , pure iron or 20
steel ; composition of source electrode Ti 30% , 50%( W,Mo are 50
percent of the rest ) and 100%.
And then the workpiece is hardened and tempered , a kind of new
type high speed steel 搒urface High Speed Steel containing Ti is
formed .The results of the experiment show that the micro-structure
of this new type surface high speed steel are composed of the
tempering martensite in the alloying layer and even tiny grain-like
carbide . By comparison with common high speed steel , the carbide
is more uniform and smaller ; the second phases are M6C
( Fe3W3C ) . M7C3[ (FeWMo)7C3]and MC(TiC. y -M0C) carbide
through the method of X-ray diffraction analysis ; the hardness of the
alloying layer is 760?90 HV0 which is equal to 62~-69HRC ,and the
hardness of core is 510 HV01 which is equal to 5OHRC ,this meets the
needs of high hardness in the surface layer and the enough hardness
good elasticity in the core of material .The high temperature hardness
of the alloying layer is about 760HV01 which is equal to 62HRC . By
comparison with common high speed steel , the hardness , wear-
resisting ability and the high temperature hardness of it are higher
引文
[1] 郭耕三．高速钢及其热处理，机械工业出版社，1985，5
[2] 胡地等．刀具材料的现状和发展，武汉化工学院学报，1997，3：54～57
[3] 吴敏镜．切削工具材料的发展综述，航空工具材料，1998
[4] Crafts W 等．Trarls A．I．M．E，1949
[5] 潘复生等．硅在高速钢中的使用原则及含硅高速钢的发展,钢 铁，1996，9：75～79
[6] 陈景榕．低钴易磨削高速钢 Co3N,河北冶金，1999，1：5～11
[7] 王笑天．金属材料学，机械工业出版社，1987，9
[8] 丘立一等．稀士元素在 W9MOCr4Vre 高速钢作用初探,钢 铁，1996，2：34～40
[9] Keun Chul hwang etc．Effects of alloying element s on mic rost ructure and fracture Properties of cast high speed steel rolls，Materials Sience and Enginee ring A254，(1998) ：282～295
[10] Kheirandish Sh etc．Cast M7 high Speed Steel modified With titanium，Materials Science and Coating Technology，July 1998 Vol．14：683～687
[11] Khei randish Sh etc．Effect of titanium on cast structure of high speed steel．M．S．T 1998． 4 Vol．14：312～315
[12] 符寒光．高速钢轧辊的研究与应用，中国钼业，1998，(6)
[13] Joon Wook Park etc．Composition，Microstruture，Hardness，and Wear Properties of HSS Metallurgical and Materials Transactions A 1999． 2：399～409
[14] 陈传忠等．W18Cr4V 高速钢激光相变硬化层中碳化物的溶解及碳的 扩散，金属热处理 1995，(9) ：5～8
[15] 王敏．高速钢的组织超细化与超塑性变形力学行为,钢 铁，1998，9，(9) ：48～50
[16] Bradbury S R etc．The effect of product quality on the integrity of advanced surface engineering treatments applied to hss circular saw blades，Surface and Coating Technology85(1996) ：215～220
[17] Dimitrova V I．Surface modificati on in nitrogen and boron-ion implanted P18 HSS With TiN Coating，Thin Solid Films 261(1995) ： 209～218
[18] Michalski J etc．Wear and corrosion properties of TiN Layers deposited on nit rided hss，Surface and Coating Technology 72(1995) ： 189～195
[19] Brother B etc．Interface strength of titaniam nitride coatings on hardened HSS 71(1995) ：229～232
[20] Brother B，Dietrich D A．Evaluation of interface strength between TiN coatings and hardene d hss substrates，Surface and Coating Technology，74-75(1995) ：625～628
[21] Wang Y K etc．Microstructure and properties of (Ti，A1) N coating on hss，Surface and Coating Technology 72(1995) ：71～77
[22] 李成明．博士学位论文，双层辉光离子放电和等离子体特性及其对钨 钼共渗影响的研究，北京科技大学，1998，12
[23] 唐宾等．表面冶金高速钢组织的研究，热加工工艺，1993，1：21～23
[24] 刘小平等．表面冶金高速钢及应用，材料科学与工艺，1997，1：16～18
[25] 王从曾等．不等电位空心阴极放电及其在离子渗金属中的应用，金 属热处理学报，1991，12(3) ：43～48
[26] 王从曾等．多重空心阴极溅射靶及其应用，金属热处 理，2000，5：17～19
[27] 贺志勇等．等离子镍铬表面合金化合金元素利用率研究，中国腐蚀 与防护学报，1999，(6) ：345～349
[28] 卢光熙等．金属学原理，上海科学技术出版社，1990
[29] 李忠厚等．离子渗金属中表层合金元素的贫化及其消除，中国腐蚀 与防护学报，1997,(4) ：295～298
[30] 高原等．离子渗钨钼手用锯条合金元素与切削性能的研究，兵工学 报，1998，19(4) ： 331
[31] 冉丽萍．W6Mo 5Cr4V2 钢形变热处理组织的电镜分析，理化检验， 1995 , 4： 28
[32] 高原等．双辉离子渗钨钼层渗碳组织的电镜分析， 中国有色金属学 报，2000， 10：55～58
[33] 古凤英等．双辉渗金属高速钢的研究，太原工业大学学报，1996，12： 1～7
[2] 胡地等．刀具材料的现状和发展，武汉化工学院学报，1997，3：54～57
[3] 吴敏镜．切削工具材料的发展综述，航空工具材料，1998
[4] Crafts W 等．Trarls A．I．M．E，1949
[5] 潘复生等．硅在高速钢中的使用原则及含硅高速钢的发展,钢 铁，1996，9：75～79
[6] 陈景榕．低钴易磨削高速钢 Co3N,河北冶金，1999，1：5～11
[7] 王笑天．金属材料学，机械工业出版社，1987，9
[8] 丘立一等．稀士元素在 W9MOCr4Vre 高速钢作用初探,钢 铁，1996，2：34～40
[9] Keun Chul hwang etc．Effects of alloying element s on mic rost ructure and fracture Properties of cast high speed steel rolls，Materials Sience and Enginee ring A254，(1998) ：282～295
[10] Kheirandish Sh etc．Cast M7 high Speed Steel modified With titanium，Materials Science and Coating Technology，July 1998 Vol．14：683～687
[11] Khei randish Sh etc．Effect of titanium on cast structure of high speed steel．M．S．T 1998． 4 Vol．14：312～315
[12] 符寒光．高速钢轧辊的研究与应用，中国钼业，1998，(6)
[13] Joon Wook Park etc．Composition，Microstruture，Hardness，and Wear Properties of HSS Metallurgical and Materials Transactions A 1999． 2：399～409
[14] 陈传忠等．W18Cr4V 高速钢激光相变硬化层中碳化物的溶解及碳的 扩散，金属热处理 1995，(9) ：5～8
[15] 王敏．高速钢的组织超细化与超塑性变形力学行为,钢 铁，1998，9，(9) ：48～50
[16] Bradbury S R etc．The effect of product quality on the integrity of advanced surface engineering treatments applied to hss circular saw blades，Surface and Coating Technology85(1996) ：215～220
[17] Dimitrova V I．Surface modificati on in nitrogen and boron-ion implanted P18 HSS With TiN Coating，Thin Solid Films 261(1995) ： 209～218
[18] Michalski J etc．Wear and corrosion properties of TiN Layers deposited on nit rided hss，Surface and Coating Technology 72(1995) ： 189～195
[19] Brother B etc．Interface strength of titaniam nitride coatings on hardened HSS 71(1995) ：229～232
[20] Brother B，Dietrich D A．Evaluation of interface strength between TiN coatings and hardene d hss substrates，Surface and Coating Technology，74-75(1995) ：625～628
[21] Wang Y K etc．Microstructure and properties of (Ti，A1) N coating on hss，Surface and Coating Technology 72(1995) ：71～77
[22] 李成明．博士学位论文，双层辉光离子放电和等离子体特性及其对钨 钼共渗影响的研究，北京科技大学，1998，12
[23] 唐宾等．表面冶金高速钢组织的研究，热加工工艺，1993，1：21～23
[24] 刘小平等．表面冶金高速钢及应用，材料科学与工艺，1997，1：16～18
[25] 王从曾等．不等电位空心阴极放电及其在离子渗金属中的应用，金 属热处理学报，1991，12(3) ：43～48
[26] 王从曾等．多重空心阴极溅射靶及其应用，金属热处 理，2000，5：17～19
[27] 贺志勇等．等离子镍铬表面合金化合金元素利用率研究，中国腐蚀 与防护学报，1999，(6) ：345～349
[28] 卢光熙等．金属学原理，上海科学技术出版社，1990
[29] 李忠厚等．离子渗金属中表层合金元素的贫化及其消除，中国腐蚀 与防护学报，1997,(4) ：295～298
[30] 高原等．离子渗钨钼手用锯条合金元素与切削性能的研究，兵工学 报，1998，19(4) ： 331
[31] 冉丽萍．W6Mo 5Cr4V2 钢形变热处理组织的电镜分析，理化检验， 1995 , 4： 28
[32] 高原等．双辉离子渗钨钼层渗碳组织的电镜分析， 中国有色金属学 报，2000， 10：55～58
[33] 古凤英等．双辉渗金属高速钢的研究，太原工业大学学报，1996，12： 1～7