專利名稱：一種等離子表面冶金高鉻高鉬高碳鋼及其制備方法
技術領域：
本發明涉及表面冶金，具體地說是一種等離子表面冶金高鉻高鉬高碳鋼及其制備方法背景技術：
目前在提高鋼鐵材料耐磨方面主要是采用兩種方法一種是采用整體制備的方法制成較好的耐磨材料，如高錳鋼、高鉻鋼、高速鋼等。高錳鋼一般使用在承受沖擊力較大的條件下，使用范圍有限。高鉻鋼中存在著對使用壽命有較大影響的共晶碳化物組織。高速鋼中加入了較多的合金元素，對于表面尺寸精度要求較高的零件，將造成合金元素的浪費。合金元素鎢、鉬的資源在世界范圍內勘定和可開采的儲量只夠40～60年使用，加上潛藏的儲量也只夠100年，因此節約合金元素有重要的戰略意義。另一種是采用表面處理的方法，提高表面的耐磨性能。一般的表面處理方法，是通過改變表面的成份、組織和結構，提高表面的性能，從而延長使用壽命。如在鋼鐵表面形成高硬度的氮化鈦、碳化鈦和氮化鉻等沉積層或進行滲碳、氮化和滲硫等擴散層。但這些方法所形成的沉積層往往因結合力較差，在使用過程中，極易產生剝落，所形成的擴散層因提高耐磨性有限，同樣影響使用壽命。
發明內容
本發明的目的是要公開一種在被滲碳鋼材料表面形成一層不易剝落的高鉻高鉬高碳強化層，且硬性、紅硬性、耐磨性均較好的表面冶金高鉻高鉬高碳鋼及其制備方法。
本發明等離子表面冶金高鉻高鉬高碳鋼，是在被滲碳鋼材料表面滲入主加合金元素鉻，以及輔助合金元素鉬，形成溶于碳鋼表面的鉻、鉬合金擴散層或鉻、鉬合金擴散層+沉積層，然后再進行超飽和離子滲碳，形成高鉻高鉬高碳合金層，最后進行淬火和回火而成，所形成的表面高鉻高鉬高碳層，鉻含量10～15％，鉬的含量6～8％，碳含量2.0～3.0％。
本發明所述的高鉻高鉬高碳鋼的制備方法包括如下步驟1、在真空設備中，設置一中空的直徑為40～80mm的鐵容器，作為陰極結構，將被滲碳鋼材料置于在該鐵容器中，在鐵容器的圓周上按10×10mm2的面積安置直徑3～8mm、長10～30mm的鉻絲、鉬絲，鉻絲與鉬絲的個數比為13∶1，同時在真空設備外殼與陰極結構之間設置一臺高壓直流電源；先將真空設備抽真空到10-1Pa，充入工作氣體氬氣，到真空度20～30Pa，再在真空設備外殼與陰極結構之間加入高壓直流電壓，被滲碳鋼材料表面產生輝光放電，高電壓低氣壓清理被滲碳鋼材料表面數分鐘，待輝光穩定之后，逐步加入氬氣到30～60Pa，調整高壓直流電壓，當被滲碳鋼材料溫度升到950～1050℃進行保溫，即進入滲金屬工藝過程，被電離的合金元素呈原子、離子狀態，吸附于被滲碳鋼材料表面，高溫擴散進入被滲碳鋼材料內，形成高鉻高鉬的合金層；2、將已經合金化的被滲碳鋼材料放置在離子滲碳設備中，抽真空到1Pa以上時，開始用外加熱源加熱被滲碳鋼材料，待被滲碳鋼材料溫度升到900～1050℃后，通入甲烷氣體和氮氣，流量比為1～3∶7～10，加高壓直流電壓，使被滲碳鋼材料與滲碳爐殼之間產生輝光放電，進行離子滲碳工藝，所述外加熱源與輝光放電的輸出功率比為10～7∶3～1；3、滲碳結束后，充入氮氣到正壓，最高可達到6bar，進行高壓風冷，實施淬火工藝；最后經過150～200℃低溫回火，即可獲得全真空等離子處理的高鉻高鉬高碳鋼。
本發明等離子表面冶金高鉻高鉬高碳鋼的工藝特征是所形成的高鉻高鉬高碳合金層的工藝技術，完全采用等離子表面冶金真空處理工藝技術，即在真空設備中，利用輝光放電的基本原理，通過輝光放電將固體的鉻、鉬以原子、離子的形式濺射出來，這些原子、離子將通過擴散，在被滲碳鋼材料基體表面形成鉻、鉬合金擴散層，也可形成鉻、鉬合金擴散層+沉積層，超飽和離子滲碳將使得表面達到高鉻高鉬高碳合金層，最后真空淬火以及回火達到強化表面的目的。
據試驗表明，所獲得的高鉻高鉬高碳鋼平均相對耐磨性是GCr15滲碳淬火鋼的2.2倍，表面硬度平均為1300HV0.025，經690℃回火4小時，合金層表面硬度仍保持在5950.025HV左右，與冶金高速鋼相當。耐磨性、硬度和紅硬性均較高，是很好耐磨材料。
本發明所述的輔助合金元素也可以是鎢。
本發明的優點在于(1)，采用價格低廉、資源豐富、方便簡單的碳鋼材料作為被滲的基體材料，降低了產品成本；(2)，利用輝光放電中的尖端放電，空心陰極效應和濺射轟擊的作用可以方便地提供欲滲入的金屬原子、離子，沒有環境污染；(3)，僅在材料表面滲入較少的合金元素，就達到了較高的表面性能，節約資源和能源；(4)，真空處理和離子轟擊的作用，對于含鉻合金元素的表面不僅容易實現滲入，而且達到較高含量的要求；(5)，所獲得的高鉻高鉬高碳鋼耐磨性、硬度和紅硬性均較高，是很好耐磨材料。
具體實施例方式被滲碳鋼材料以Q235鋼為被滲試樣，其制備方法的主要步驟如下先在真空設備中，放置一尺寸為80×50×5mm(直徑×高×壁厚)的中空鐵容器，上面按每10×10mm2的面積安置直徑5mm長為30mm的鉻絲和鉬絲，鉻與鉬的個數比為13∶1。在中空的鐵容器中放置三塊Q235鋼試樣，其尺寸為20×20×5mm(長×寬×厚)，被滲試樣表面經過機械拋光。抽真空到10-1Pa，充入工作氣體氬氣，到真空度20Pa，在真空設備外殼與試樣之間加直流高壓，試樣表面產生輝光放電，高電壓低氣壓清理試樣表面3分鐘左右，待輝光穩定之后，逐步加氣壓到50Pa，加電壓，使被滲試樣升溫到1000℃左右，開始進行滲金屬工藝過程。保溫3小時后，關掉直流電源，隨爐冷卻到室溫，可以獲得厚度為100um的含有鉻和鉬的合金化層。
第二步進行離子滲碳。將上述表面已合金化的試樣放置在離子滲碳設備中，抽真空到1Pa，開始利用外加熱源加熱試樣，待試樣到980℃，通入甲烷氣體和氮氣，流量比為1∶10。并加高壓直流電壓，使被滲試樣與滲碳爐殼之間產生輝光放電，外加熱源與輝光放電的輸出功率比為10∶3，進行離子滲碳工藝。保溫6小時，關掉直流高壓電源、外加熱源及抽真空系統。充入氮氣到正壓，達到6bar。在此過程中，開冷卻風機，進行高壓風冷，實施淬火工藝。當冷卻到80℃以下時，試樣出爐。可獲得經過超飽和滲碳后的淬火試樣。
最后經過150℃×2h的低溫回火，可獲得全真空等離子處理的具有高鉻高鉬高碳強化層的鋼，其表面含鉻量為12％、含鉬為7％、含碳量為2.4％。
權利要求
1.一種等離子表面冶金高鉻高鉬高碳鋼，其特征是在被滲碳鋼材料表面滲入主加合金元素鉻，以及輔助合金元素鉬，形成固溶于基體表面的合金擴散層或合金擴散層+沉積層，然后再進行超飽和離子滲碳，形成高鉻高鉬高碳合金層，最后進行淬火和回火而成，所形成的表面高鉻高鉬高碳層，鉻含量在10～15％，鉬的含量在6～8％，碳含量在2.0～3.0％。
2.如權利要求1所述的一種等離子表面冶金高鉻高鉬高碳鋼的制備方法，其特征在于包括如下步驟(1)在真空設備中，設置一中空的直徑為40～80mm的鐵容器，作為陰極結構，將被滲碳鋼材料置于在該鐵容器中，在鐵容器的圓周上按10×10mm2的面積安置直徑3～8mm、長10～30mm的鉻絲、鉬絲，先將真空設備抽真空到10-1Pa，充入工作氣體氬氣，到真空度20～30Pa，再在真空設備外殼與陰極結構之間加入高壓直流電壓，被滲碳鋼材料表面產生輝光放電，高電壓低氣壓清理被滲碳鋼材料表面數分鐘，待輝光穩定之后，逐步加入氬氣到30～60Pa，調整高壓直流電壓，當被滲碳鋼材料溫度升到950～1050℃進行保溫，即進入滲金屬工藝過程，被電離的合金元素呈原子、離子狀態，吸附于被滲碳鋼材料表面，高溫擴散進入被滲碳鋼材料內，形成高鉻高鉬的合金層；(2)將已經合金化的被滲碳鋼材料放置在離子滲碳設備中，抽真空到1Pa以上時，開始用外加熱源加熱被滲碳鋼材料，待被滲碳鋼材料溫度升到900～1050℃后，通入甲烷氣體和氮氣，流量比為1～3∶7～10，加高壓直流電壓，使被滲碳鋼材料與滲碳爐殼之間產生輝光放電，進行離子滲碳工藝，所述外加熱源與輝光放電的輸出功率比為10～7∶3～1；(3)滲碳結束后，充入氮氣到正壓，最高可達到6bar，進行高壓風冷，實施淬火工藝；最后經過150～200℃低溫回火，即可獲得全真空等離子處理的高鉻高鉬高碳鋼。
3.根據權利要求2所述的一種等離子表面冶金高鉻高鉬高碳鋼的制備方法，其特征是鉻絲與鉬絲的個數比例為13∶1。
全文摘要
本發明公開了一種等離子表面冶金高鉻高鉬高碳鋼及其制備方法，其特征是在被滲碳鋼材料表面滲入主加合金元素鉻，以及輔助合金元素鉬或鎢，形成固溶于基體表面的合金擴散層或合金擴散層+沉積層，然后再進行超飽和離子滲碳，形成高鉻高鉬高碳合金層，最后進行淬火和回火而成，所形成的表面高鉻高鉬高碳層，鉻含量在10～15％，鉬的含量在6～8％，碳含量在2.0～3.0％。這種鋼的耐磨性、硬度和紅硬性均較好，是一種很好的耐磨材料。
文檔編號C23C12/00GK1884604SQ20051002119
公開日2006年12月27日 申請日期2005年6月25日 優先權日2005年6月25日
發明者徐晉勇, 高原, 徐重 申請人:桂林電子工業學院