一种等离子表面冶金高铬高钼高碳钢及其制备方法

摘要

本发明公开了一种等离子表面冶金高铬高钼高碳钢及其制备方法，其特征是：在被渗碳钢材料表面渗入主加合金元素铬，以及辅助合金元素钼或钨，形成固溶于基体表面的合金扩散层或合金扩散层+沉积层，然后再进行超饱和离子渗碳，形成高铬高钼高碳合金层，最后进行淬火和回火而成，所形成的表面高铬高钼高碳层，铬含量在10～15％，钼的含量在6～8％，碳含量在2.0～3.0％。这种钢的耐磨性、硬度和红硬性均较好，是一种很好的耐磨材料。

说明书

(一)技术领域：

本发明涉及表面冶金，具体地说是一种等离子表面冶金高铬高钼高碳钢及其制备方法

(二)背景技术：

目前在提高钢铁材料耐磨方面主要是采用两种方法：一种是采用整体制备的方法制成较好的耐磨材料，如高锰钢、高铬钢、高速钢等。高锰钢一般使用在承受冲击力较大的条件下，使用范围有限。高铬钢中存在着对使用寿命有较大影响的共晶碳化物组织。高速钢中加入了较多的合金元素，对于表面尺寸精度要求较高的零件，将造成合金元素的浪费。合金元素钨、钼的资源在世界范围内勘定和可开采的储量只够40～60年使用，加上潜藏的储量也只够100年，因此节约合金元素有重要的战略意义。另一种是采用表面处理的方法，提高表面的耐磨性能。一般的表面处理方法，是通过改变表面的成份、组织和结构，提高表面的性能，从而延长使用寿命。如在钢铁表面形成高硬度的氮化钛、碳化钛和氮化铬等沉积层或进行渗碳、氮化和渗硫等扩散层。但这些方法所形成的沉积层往往因结合力较差，在使用过程中，极易产生剥落，所形成的扩散层因提高耐磨性有限，同样影响使用寿命。

(三)发明内容：

本发明的目的是要公开一种在被渗碳钢材料表面形成一层不易剥落的高铬高钼高碳强化层，且硬性、红硬性、耐磨性均较好的表面冶金高铬高钼高碳钢及其制备方法。

本发明等离子表面冶金高铬高钼高碳钢，是在被渗碳钢材料表面渗入主加合金元素铬，以及辅助合金元素钼，形成溶于碳钢表面的铬、钼合金扩散层或铬、钼合金扩散层+沉积层，然后再进行超饱和离子渗碳，形成高铬高钼高碳合金层，最后进行淬火和回火而成，所形成的表面高铬高钼高碳层，铬含量10～15％，钼的含量6～8％，碳含量2.0～3.0％。

本发明所述的高铬高钼高碳钢的制备方法包括如下步骤：

1、在真空设备中，设置一中空的直径为40～80mm的铁容器，作为阴极结构，将被渗碳钢材料置于在该铁容器中，在铁容器的圆周上按10×10mm²的面积安置直径3～8mm、长10～30mm的铬丝、钼丝，铬丝与钼丝的个数比为13∶1，同时在真空设备外壳与阴极结构之间设置一台高压直流电源；先将真空设备抽真空到10^-1Pa，充入工作气体氩气，到真空度20～30Pa，再在真空设备外壳与阴极结构之间加入高压直流电压，被渗碳钢材料表面产生辉光放电，高电压低气压清理被渗碳钢材料表面数分钟，待辉光稳定之后，逐步加入氩气到30～60Pa，调整高压直流电压，当被渗碳钢材料温度升到950～1050℃进行保温，即进入渗金属工艺过程，被电离的合金元素呈原子、离子状态，吸附于被渗碳钢材料表面，高温扩散进入被渗碳钢材料内，形成高铬高钼的合金层；

2、将已经合金化的被渗碳钢材料放置在离子渗碳设备中，抽真空到1Pa以上时，开始用外加热源加热被渗碳钢材料，待被渗碳钢材料温度升到900～1050℃后，通入甲烷气体和氮气，流量比为：1～3∶7～10，加高压直流电压，使被渗碳钢材料与渗碳炉壳之间产生辉光放电，进行离子渗碳工艺，所述外加热源与辉光放电的输出功率比为：10～7∶3～1；

3、渗碳结束后，充入氮气到正压，最高可达到6bar，进行高压风冷，实施淬火工艺；最后经过150～200℃低温回火，即可获得全真空等离子处理的高铬高钼高碳钢。

本发明等离子表面冶金高铬高钼高碳钢的工艺特征是：所形成的高铬高钼高碳合金层的工艺技术，完全采用等离子表面冶金真空处理工艺技术，即在真空设备中，利用辉光放电的基本原理，通过辉光放电将固体的铬、钼以原子、离子的形式溅射出来，这些原子、离子将通过扩散，在被渗碳钢材料基体表面形成铬、钼合金扩散层，也可形成铬、钼合金扩散层+沉积层，超饱和离子渗碳将使得表面达到高铬高钼高碳合金层，最后真空淬火以及回火达到强化表面的目的。

据试验表明，所获得的高铬高钼高碳钢平均相对耐磨性是GCr15渗碳淬火钢的2.2倍，表面硬度平均为1300HV_0.025，经690℃回火4小时，合金层表面硬度仍保持在595_0.025HV左右，与冶金高速钢相当。耐磨性、硬度和红硬性均较高，是很好耐磨材料。

本发明所述的辅助合金元素也可以是钨。

本发明的优点在于：(1)，采用价格低廉、资源丰富、方便简单的碳钢材料作为被渗的基体材料，降低了产品成本；(2)，利用辉光放电中的尖端放电，空心阴极效应和溅射轰击的作用可以方便地提供欲渗入的金属原子、离子，没有环境污染；(3)，仅在材料表面渗入较少的合金元素，就达到了较高的表面性能，节约资源和能源；(4)，真空处理和离子轰击的作用，对于含铬合金元素的表面不仅容易实现渗入，而且达到较高含量的要求；(5)，所获得的高铬高钼高碳钢耐磨性、硬度和红硬性均较高，是很好耐磨材料。

(四)具体实施方式：

被渗碳钢材料以Q235钢为被渗试样，其制备方法的主要步骤如下：

先在真空设备中，放置一尺寸为80×50×5mm(直径×高×壁厚)的中空铁容器，上面按每10×10mm²的面积安置直径5mm长为30mm的铬丝和钼丝，铬与钼的个数比为13∶1。在中空的铁容器中放置三块Q235钢试样，其尺寸为20×20×5mm(长×宽×厚)，被渗试样表面经过机械抛光。抽真空到10^-1Pa，充入工作气体氩气，到真空度20Pa，在真空设备外壳与试样之间加直流高压，试样表面产生辉光放电，高电压低气压清理试样表面3分钟左右，待辉光稳定之后，逐步加气压到50Pa，加电压，使被渗试样升温到1000℃左右，开始进行渗金属工艺过程。保温3小时后，关掉直流电源，随炉冷却到室温，可以获得厚度为100um的含有铬和钼的合金化层。

第二步进行离子渗碳。将上述表面已合金化的试样放置在离子渗碳设备中，抽真空到1Pa，开始利用外加热源加热试样，待试样到980℃，通入甲烷气体和氮气，流量比为：1∶10。并加高压直流电压，使被渗试样与渗碳炉壳之间产生辉光放电，外加热源与辉光放电的输出功率比为：10∶3，进行离子渗碳工艺。保温6小时，关掉直流高压电源、外加热源及抽真空系统。充入氮气到正压，达到6bar。在此过程中，开冷却风机，进行高压风冷，实施淬火工艺。当冷却到80℃以下时，试样出炉。可获得经过超饱和渗碳后的淬火试样。

最后经过150℃×2h的低温回火，可获得全真空等离子处理的具有高铬高钼高碳强化层的钢，其表面含铬量为12％、含钼为7％、含碳量为2.4％。