等离子W-Mo-Dy共渗制备表面稀土高速钢的研究

摘要

稀土由于其特殊的结构和较强的化学活性，而具有很好的微合金化作用，大量研究证实其可改善钢铁组织，提高钢铁材料性能；稀土在表面处理方面有其独特作用，主要表现为：
　　（1）可加速表面化学热处理的扩散动力学过程，缩短工艺处理周期；
　　（2）改善渗层组织，强化或硬化表面，提高材料表面的疲劳强度和耐磨性；
　　（3）滑化表面，可降低表面摩擦系数，提高材料耐磨性能；
　　（4）改善物理、化学性能，提高材料表面的抗腐蚀性能和抗氧化性能等。冶金高速钢中加入大量钨、钼合金元素，目的为了在高温固溶淬火后获得高钨（钼）的马氏体，在回火时析出细小、弥散分布的高硬碳化物，使其具有独特的红硬性及优异的耐磨性。但这些稀有合金资源的储量有限，价格昂贵，为减少这些资源的消耗，可采用表面工程技术制备表面稀土高速钢层，提高材料表面性能，使其成为一种价格低廉，性能优异的耐磨材料。
　　本文采用双辉离子渗金属技术，在20钢表面进行W-Mo-Dy三元共渗，然后进行渗碳、淬火及回火强化处理，制备表面稀土高速钢层，达到冶金高速钢的性能。
　　本文重点分析了W-Mo-Dy三元共渗工艺参数对合金层厚度及元素含量的影响，基体碳含量对合金渗层组织的影响；研究了稀土Dy对合金渗层组织的影响，稀土Dy对表面稀土高速钢层的淬火硬度、红硬性、抗回火软化性及耐磨性能的影响；利用扫描电子显微镜（SEM）及能谱仪（EDS）、X射线衍射仪等，分析了W-Mo-Dy共渗合金渗层和表面稀土高速钢层的表面形貌、成分分布、微观组织、相组成等；从理论上分析和计算稀土Dy对合金元素扩散的影响，稀土加入产生的强化作用。所获试验结果如下：
　　1、等离子W-Mo-Dy共渗优化工艺参数为:源极电压-850～-900V，阴极电压-700～-750V，气压30Pa，渗金属温度1000～1020℃，保温时间4.5 h；20钢合金渗层表面:W为5～7wt.％，Mo为8～10wt.%，Dy为0.1～1wt.%；
　　2、在20钢、45钢、T8钢进行W-Mo-Dy三元共渗和W-Mo共渗，获得合金渗层厚度分别约为128μm、75μm、47μm及107μm、59μm、26μm；随着碳含量的增加，合金渗层厚度减薄；随稀土Dy的加入，合金渗层厚度增加；
　　3、用SEM观察W-Mo-Dy共渗合金渗层的表面形貌，存在块状组织；其W、Mo、Dy的原子百分比含量要比非块状组织区域高出1倍；W-Mo共渗合金渗层的组织为粗大柱状晶，而W-Mo-Dy共渗合金渗层的组织要比其细小，并出现部分等轴晶；两种合金渗层的表面[W]当量分别为24.79%和18.4%；
　　4、W-Mo-Dy共渗主要由Fe（W、Mo、Dy）、Dy2O3和少量的DyFe10Mo2、Dy等物相组成；在45钢和T8钢的合金渗层出现M6C碳化物，随着碳含量增加，碳化物的含量也在增加；
　　5、表面稀土高速钢层（W-Mo-Dy+渗碳+淬火，下同）的平衡碳含量和碳饱和度均高于表面高速钢层（W-Mo+渗碳+淬火，下同）；碳化物呈颗粒状弥散、均匀分布在表面稀土高速钢层上，其颗粒直径小于1μm；
　　6、表面稀土高速钢的表面硬度为980-1240HV0.05；抗回火软化能力、红硬性均比表面高速钢有很大提高，在300 g，400＃砂纸的磨粒磨损条件下，耐磨性分别为是T10钢强化试样和表面高速钢试样的11.2倍和3倍。
　　7、合金渗层在渗碳过程中，碳与W、Mo优先形成碳化物，稀土Dy加速碳的向内扩散过程，为碳化物形核提供核心，使得碳化物细化，减缓其在晶界析出，提高表面稀土钢速钢层性能；稀土Dy可以提高碳的活度，降低碳化物的形核功，促进碳化物析出；稀土Dy在渗碳过程中参与了复杂碳化物的形成，增加了碳化物的形核率。
　　8、稀土Dy将表面处W、Mo在Fe中的扩散系数分别提高了0.9倍和0.6倍；将表面的W、Mo原子的扩散激活能分别降低7.13KJ/mol和5.19KJ/mol。利用第一性原理计算稀土Dy固溶于γ-Fe晶胞中，可使其体积增大40%，晶胞总能量也增高，扩散时稀土Dy易取代顶角位置的Fe原子。通过分析推测稀土存在两种可能的扩散模型：在初始时，非平衡态下“空位交换扩散”，以及扩散进行到一定程度时，平衡态下的“稀土-空位复合体”；
　　9、计算α-Fe-Dy,γ-Fe-Dy,γ-Fe-C-Dy,α-Fe-C-Dy及α-Fe-C-Me(Mo,W)-Dy、γ-Fe-C-Me(Mo,W)-Dy的价电子结构，通过价电子结构特征参量与共价键能的分析，发现稀土Dy可使奥氏体晶胞的nα值的增大，增加奥氏体的稳定性，提高奥氏体化温度，而增加回火碳化物的析出量；稀土Dy可提高铁素体和渗碳体晶胞的nA值，强化马氏体，提高其硬度，升高合金碳化物的析出温度，提高了红硬性。

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第一章 绪 论

§1.1 磨损概论

§1.2 高速钢的性能与发展

§1.3 表面工程技术

§1.4 稀土特性及其应用

第二章 课题的提出与研究内容

§2.1 课题的提出

§2.2 课题的提出及研究思路

第三章 等离子W-Mo-Dy共渗工艺及试验结果研究

§3.1 试样的制备与检测方法

§3.2 双辉等离子W-Mo-Dy共渗工艺参数的研究

§3.3 合金渗层的检测结果与分析

§3.4 本章小结

第四章 表面稀土高速钢层的制备工艺及组织结构研究

§4.1 表面稀土高速钢层的制备及检测方法

§4.2 渗碳淬火工艺结果及分析

§4.3 表面稀土高速钢层的性能试验及结果分析

§4.4 本章小结

第五章 等离子W-Mo-Dy三元共渗动力学研究

§5.1 菲克第二定律计算扩散系数

§5.2 稀土Dy对W、Mo扩散激活能的影响

§5.3 第一性原理计算稀土Dy对γ-Fe晶胞的影响

§5.4 稀土在双辉等离子渗金属条件下的扩散模型

§5.5 本章小结

第六章 价电子理论分析稀土的微合金化作用

§6.1 表面稀土高速钢层固溶稀土Dy的价电子结构分析

§6.2 稀土提高表面稀土高速钢红硬性及二次硬化效果的作用机理分析

§6.3 结论

第七章 结 论

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果