專利名稱：含鈷超硬高速鋼的表面冶金工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明含鈷超硬高速鋼的表面冶金工藝屬表面冶金范疇。具體而言是一種含 鈷超硬高速鋼的固態(tài)表面冶金工藝。
二背景技術(shù)：
目前使用的含鈷超硬高速鋼是通過冶煉方法由液態(tài)向固態(tài)結(jié)晶凝固并經(jīng)一 定的熱處理而形成的。超硬高速鋼因其高的硬度、紅硬性及耐磨性，越來越受到 人們的廣泛關(guān)注。這種高性能超硬高速鋼在歐美各國已占高速鋼總量的20%-25%，
但在我國由于鈷資源較缺，價(jià)格昂貴，含鈷高速鋼生產(chǎn)很少，還不到1%，因此 長期不能滿足工具行業(yè)制造高性能刀具的需要。1985年5月28日，由我國學(xué)者 發(fā)明的雙層輝光放電離子滲金屬技術(shù)取得了美國專利權(quán)。該專利技術(shù)是利用稀薄 氣體中的輝光放電及濺射現(xiàn)象，在真空容器中設(shè)置由欲滲合金元素組成的源極及 放置工件的陰極。源極和陽極之間的輝光放電使合金元素濺射出來并奔向被離子 轟擊加熱至高溫的工件表面，然后再借助于沉積擴(kuò)散過程使工件表面形成含有欲 滲合金元素的合金層。現(xiàn)已公開的中國專利CN87104358.0是利用雙層輝光離子 滲金屬技術(shù)形成高合金層以后進(jìn)行滲碳、淬火處理，但是滲入的合金中不包含鈷， 達(dá)不到超高硬度。另外公開的中國專利98119062.6是利用雙層輝光離子滲金屬 技術(shù)形成高合金層以后進(jìn)行固溶時(shí)效處理，其強(qiáng)化機(jī)理是靠金屬間化合物來實(shí)現(xiàn) 的。
三
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明含鈷超硬高速鋼表面冶金工藝，其目的在于首先利用雙層輝光放電 離子滲金屬技術(shù)在價(jià)格較低廉的鐵基材料表面滲入合金元素，形成表面合金層， 接著進(jìn)行滲碳處理形成表面高速鋼合金層，隨后進(jìn)行熱處理使其具有超硬高速鋼 所具有的優(yōu)異性能。
本發(fā)明含鈷超硬高速鋼表面冶金工藝，其特征在于
I采用一個(gè)抽成真空的密封容器作為滲金屬爐，其極限真空度為0 5Pa，
密封容器的爐體作為陽極，被滲工件作為陰極，欲滲合金元素作為源極，在陽極
和陰極以及陽極和源極之間各設(shè)有0 1500伏的可調(diào)壓直流電源，其滲金屬爐內(nèi) 的工作氣壓一般在5 1333Pa;
II將欲滲合金元素鎢、鉬、鈷，用粉末冶金方法壓制成板狀、條狀或刷狀 作為源極，其成分為鈷40 50%，鎢35 40%，鉬15 20%，作為陰極的 被滲工件材料為低合金鋼、不銹鋼、耐熱鋼、鎳基合金，被滲工件與源極之間的 距離為15-20mm;
III滲金屬時(shí)充人惰性氣體氬氣或氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，爐內(nèi)氣壓控制在30 70Pa，在1100 1150'C溫度范圍內(nèi)滲金屬，保溫4 6小時(shí)，源極與陽極電壓 為600 1000V，陰極與陽極電壓為350 700V,利用雙層輝光放電中的空心陰 極效應(yīng)進(jìn)行加熱源極及被滲工件并在被滲工件表面形成高合金層，其高合金層的
成份是Cr: 0 8% ; CO: 6 15%; Mo: 4 13% ; V: 0 2 %; W: 2 8 %;
iv將上述m制得的滲金屬后的被滲工件埋入裝有固體滲碳劑的滲碳箱內(nèi)，
放在固體滲碳爐里進(jìn)行滲碳，選用由碳酸鋇和木炭或碳酸鋇、木炭和碳酸鈉組成 的固體滲碳劑，滲碳溫度為860 930°C，保溫時(shí)間為5 8h，滲碳后的被滲工件 表面高合金層中的C含量達(dá)到0.7 1.5M，其所述的固體滲碳劑在使用后與新的 固體滲碳劑按照7: 3~3: l的比例混合可反復(fù)使用；
V將滲完碳的被滲工件進(jìn)行淬火和回火處理，淬火溫度為1180 126(TC， 加熱時(shí)間隨被滲工件尺寸而定為2~5分鐘，在水中或油中冷卻；回火溫度為500 560°C ，加熱時(shí)間20 60分鐘，回火1 2次，滲完碳的被滲工件即含鈷表面 超硬高速鋼通過淬火和回火處理發(fā)生強(qiáng)烈的二次硬化，其硬化特征是通過析出細(xì) 小彌散的合金碳化物和金屬間化合物而發(fā)生硬化，通過淬火和回火處理后的被滲 工件表面硬度達(dá)到1000 1150 HV。
本發(fā)明含鈷超硬高速鋼表面冶金工藝優(yōu)點(diǎn)在于①利用雙層輝光離子滲金屬 技術(shù)制備的表面超硬高速鋼，是一種物理固態(tài)冶金法，沒有由于結(jié)晶過程而形成 的粗大一次碳化物，避免了傳統(tǒng)的冶煉、鍛軋高速鋼生產(chǎn)中難以克服的碳化物不 均勻問題。表面冶金高速鋼的碳化物細(xì)小彌散，大大提高了硬化效果。通過硬度
檢測可知，表面合金層的硬度超過70HRC，達(dá)到甚至超過了普通超英高速鋼的 水平。②由于是表面合金化，因而節(jié)約了大量合金元素，特別是鈷，節(jié)省了資源， 降低了成本，提高了產(chǎn)品的市場競爭能力。③實(shí)驗(yàn)證明，與普通含鈷型超硬高速 鋼相比，表面合金在較寬的成分范圍和較寬的工藝范圍獲得滿意的性能，因而滲 金屬工藝和熱處理工藝都易于執(zhí)行。④由于表面合金具有梯度成分，與普通合金 相比，它不但具有高的強(qiáng)度，而且還具有優(yōu)良的韌性。本發(fā)明工藝處理的工件可 以滿足對于表面性能要求較高的情況，廣泛用于制造各種機(jī)床的切削工具，也部 分用于高載荷模具，航空高溫軸承及特殊耐熱耐磨零部件等。對于一些不僅表面 要求高而心部也要求高強(qiáng)度工件，可以首先選擇較高強(qiáng)度的基材再進(jìn)行本發(fā)明的 處理工藝，可達(dá)到其使用要求。 四、實(shí)施方式
實(shí)施方式1 I采用一個(gè)抽成真空的密封容器作為滲金屬爐，其極限真空度 為5Pa，密封容器的爐體作為陽極，被滲工件作為陰極，欲滲合金元素作為源極；
II將欲滲合金元素鎢、鉬、鈷，用粉末冶金方法壓制成板狀，其成分為鎢40%，
鉬20%,鈷40%，作為陰極的被滲工件材料為低合金鋼20CrV2，滲金屬時(shí)充 入氬氣作為保護(hù)氣體，爐內(nèi)氣壓控制在30Pa，在115(TC時(shí)滲金屬，保溫4小時(shí)， 源極與陽極電壓為900V，陰極與陽極電壓為550V，被滲工件與源極之間的距 離為15mm，利用雙層輝光放電中的空心陰極效應(yīng)進(jìn)行加熱源極及被滲工件并在 被滲工件表面形成高合金層，其高合金層成分是鈷12%，鎢8%，鉬6%， Cr.- 1.5%， V: 1%，其余鐵；IV將上述in得到的滲金屬后的被滲工件埋入裝有 固體滲碳劑的滲碳箱內(nèi)，放在固體滲碳爐里進(jìn)行滲碳，選用由碳酸鋇和木炭組成 的固體滲碳劑，滲碳溫度為930。C，保溫時(shí)間為8h，滲碳后的被滲工件表面高合 金層中的C含量達(dá)到1.2%，其所述的固體滲碳劑在使用后與新的固體滲碳劑按 照7: 3的比例混合可反復(fù)使用；V將滲完碳的被滲工件進(jìn)行淬火和回火處理， 淬火溫度為1230。C，加熱時(shí)間隨被滲工件尺寸而定為2.5分鐘，在油中冷卻；回 火溫度為560°C ，加熱時(shí)間60分鐘，回火2次，滲完碳的被滲工件即含鈷表 面超硬高速鋼通過淬火和回火處理發(fā)生強(qiáng)烈的二次硬化，其硬化特征是通過析出 細(xì)小彌散的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而發(fā)生強(qiáng)烈的硬化作用， 通過淬火和回火處理后的被滲工件表面硬度達(dá)到11OOHV 。
實(shí)施方式2 II將欲滲合金元素鉤、鉬、鈷，用粉末冶金方法壓制成板狀， 其成分為鎢35%，鉬15%，鈷50%，作為陰極的被滲工件材料為低合金鋼 20CrV2，爐內(nèi)氣壓控制在40Pa，在113(TC時(shí)滲金屬，保溫4小時(shí)，陰極與陽極 電壓為450V，其高合金層成分是鈷15%，鎢8%，鉬5%， Cr: 2%, V:
1.5%，其余鐵；其它同實(shí)施方式l。
實(shí)施方式3欲滲合金元素鎢、鉬、鈷的成分同實(shí)施方式2 ，爐內(nèi)氣壓控 制在50Pa，在IIOO'C時(shí)滲金屬，保溫6小時(shí)，陰極與陽極電壓為500V，被滲 工件與源極之間的距離為18mm，其高合金層成分是鈷10%,鎢5%,鉬4
%， Cr: 1%， V: 0.5%，其余鐵；選用由碳酸鋇、木炭和碳酸鈉組成的固體滲
碳劑，滲碳溫度為920。C，滲碳后的被滲工件表面合金層中的C含量達(dá)到1.1%，
其所述的固體滲碳劑在使用后與新的固體滲碳劑按照3: 1的比例混合可反復(fù)使 用；淬火溫度為1200°C，加熱時(shí)間隨被滲工件尺寸而定為3分鐘，通過淬火和 回火處理后的被滲工件表面硬度達(dá)到IOOOHV，其它同實(shí)施方式1。
權(quán)利要求
1、含鈷超硬高速鋼表面冶金工藝，其特征在于I采用一個(gè)抽成真空的密封容器作為滲金屬爐，其極限真空度為0～5Pa，密封容器的爐體作為陽極，被滲工件作為陰極，欲滲合金元素作為源極，在陽極和陰極以及陽極和源極之間各設(shè)有0～1500伏的可調(diào)壓直流電源，其滲金屬爐內(nèi)的工作氣壓一般在5～1333Pa；II將欲滲合金元素鎢、鉬、鈷，用粉末冶金方法壓制成板狀、條狀或刷狀作為源極，其成分為鈷40～50％，鎢35～40％，鉬15～20％，作為陰極的被滲工件材料為低合金鋼、不銹鋼、耐熱鋼、鎳基合金，被滲工件與源極之間的距離為15-20mm；III滲金屬時(shí)充人惰性氣體氬氣或氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，爐內(nèi)氣壓控制在30～70Pa，在1100～1150℃溫度范圍內(nèi)滲金屬，保溫4～6小時(shí)， 源極與陽極電壓為600～1000V，陰極與陽極電壓為350～700V，利用雙層輝光放電中的空心陰極效應(yīng)進(jìn)行加熱源極及被滲工件并在被滲工件表面形成高合金層，其高合金層的成份是Cr0～8％；Co6～15％；Mo4～13％；V0～2％；W2～8％；IV將上述III制得的滲金屬后的被滲工件埋入裝有固體滲碳劑的滲碳箱內(nèi)，放在固體滲碳爐里進(jìn)行滲碳，選用由碳酸鋇和木炭或碳酸鋇、木炭和碳酸鈉組成的固體滲碳劑，滲碳溫度為860～930℃，保溫時(shí)間為5～8h，滲碳后的被滲工件表面高合金層中的C含量達(dá)到0.7～1.5％，其所述的固體滲碳劑在使用后與新的固體滲碳劑按照7∶3～3∶1的比例混合可反復(fù)使用；V將滲完碳的被滲工件進(jìn)行淬火和回火處理，淬火溫度為1180～1260℃，加熱時(shí)間隨被滲工件尺寸而定為2～5分鐘，在水中或油中冷卻；回火溫度為500～560℃，加熱時(shí)間20～60分鐘，回火1～2次，滲完碳的被滲工件即含鈷表面超硬高速鋼通過淬火和回火處理發(fā)生強(qiáng)烈的二次硬化，其硬化特征是通過析出細(xì)小彌散的合金碳化物和金屬間化合物而發(fā)生硬化，通過淬火和回火處理后的被滲工件表面硬度達(dá)到1000～1150HV。
全文摘要
一種含鈷超硬高速鋼的表面冶金工藝屬表面冶金范疇。其特征在于首先利用雙層輝光放電離子滲金屬技術(shù)在價(jià)格較低廉的鐵基材料表面滲入合金元素，形成表面合金層，接著進(jìn)行滲碳處理形成表面高速鋼合金層，隨后進(jìn)行熱處理使其具有超硬高速鋼所具有的優(yōu)異性能。其硬化特征是通過析出細(xì)小彌散的合金碳化物和金屬間化合物而發(fā)生硬化，通過淬火和回火處理后的被滲工件表面硬度達(dá)到1000～1150HV。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于沒有由于結(jié)晶過程而形成的粗大一次碳化物，解決了傳統(tǒng)的冶煉、鍛軋高速鋼生產(chǎn)中難以克服的碳化物不均勻問題。表面冶金高速鋼的碳化物細(xì)小彌散，大大提高了硬化效果，節(jié)約了大量合金元素，降低了成本，可廣泛用于制造各種機(jī)床的切削工具。
文檔編號C21D1/78GK101177725SQ20071018533
公開日2008年5月14日 申請日期2007年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月1日
發(fā)明者劉沙沙, 李忠厚, 陳志勇 申請人:太原理工大學(xué)