專利名稱：沉淀硬化不銹鋼表面冶金工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明沉淀硬化不銹鋼表面冶金工藝屬于表面冶金的范疇。具體而言是一種沉淀硬化不銹鋼的固態(tài)表面冶金工藝。
目前使用的沉淀硬化不銹鋼，是通過冶煉方法由液態(tài)向固態(tài)結(jié)晶凝固并經(jīng)固溶和時(shí)效處理而形成的。
在飛速發(fā)展的航空工業(yè)中，許多零部件表面工作溫度很高，必須滿足一定的強(qiáng)度要求(一般認(rèn)為σb1500MN/m2以上)及結(jié)構(gòu)上有高的比強(qiáng)度(強(qiáng)度/比重)，因鋁合金及鈦合金的比強(qiáng)度較高，故在航空工業(yè)上得到較大應(yīng)用。但是，鋁合金在150℃，鈦合金在450℃以上其比強(qiáng)度均顯著降低，而且鈦合金價(jià)格昂貴，工藝復(fù)雜。沉淀硬化不銹鋼，利用金屬間化合物Ni3Al、Ni3Ti、Ni3Mo,AB2(拉氏相)，x相沉淀硬化，可獲得高的強(qiáng)度(σb可達(dá)2000MN/m2)。因此在航空工業(yè)方面這種沉淀硬化超高強(qiáng)度鋼獲得廣泛應(yīng)用。
在目前使用的沉淀硬化不銹鋼中，在許多方面只要求鋼表面具有高的性能，即可滿足使用要求。然而由于該鋼真空冶煉成型，全部整體高合金鋼制造，工藝復(fù)雜，而且成本高。造成許多貴重合金元素的浪費(fèi)。
現(xiàn)已公開的美國專利，專利號為4,520,268，涉及一種表面合金化技術(shù)，即只強(qiáng)調(diào)在基體表面滲入合金元素，對隨后的技術(shù)處理未加以敘述。另外公開的中國專利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。其強(qiáng)化機(jī)理是靠碳化物來實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明沉淀硬化不銹鋼表面冶金工藝目的是利用已發(fā)明的雙層輝光離子滲金屬技術(shù)或其它表面冶金技術(shù)，首先在價(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；隨后進(jìn)行固溶及時(shí)效處理，使表面合金層達(dá)較高的強(qiáng)度和硬度，從而滿足使用時(shí)對表面的性能要求。
本發(fā)明是一種沉淀硬化不銹鋼表面冶金工藝技術(shù)，是將一密閉的真空容器中置入欲滲合金元素組成源極，被滲合金元素的工件作為陰極，公共陽極及輔助陰極。在陰極、源極與陽極之間配有兩套0～1500V可調(diào)直流電源或0～1500V可調(diào)直流脈沖電源，真空容器的極限真空度不小于10-1Pa，工作時(shí)充入惰性氣體如氬氣、氮?dú)?，工作氣壓一般?～1333Pa，工件滲金屬溫度900～1000℃，陰極與陽極之間電壓-400～-1500V，源極與陽極電壓-900V～-1500V，本發(fā)明的特征在于利用輝光放電中的空心陰極效應(yīng)進(jìn)行加熱滲金屬，并在工件表面形成一高合金層，合金層成份范圍為Cr:13～25％；Ni:0～10％；Co:12～25％；Mo:1～5％；Al:0～3％；Ti:0～1％；Cu:0～5％；V:0～1％； Nb:0～1％；Ta:0～1％。隨后進(jìn)行800～1100℃的固溶和300～500℃的時(shí)效處理，使合金層中的合金元素以Ni3Al,Ni3Ti,Ni3Mo,AB2(拉氏相)，x相或Fe2Mo等金屬間化合物的形式彌散均勻細(xì)小的析出，形成表面沉淀硬化不銹鋼。
本發(fā)明中工件置于內(nèi)設(shè)有陰極、陽極、輔助陰極及源極，可抽成真空且工作時(shí)又可充入惰性氣體介質(zhì)(如氬氣、氮?dú)?的容器中的輔助陰極空腔內(nèi)。工件與工件之間，工件與輔助陰極之間，工件與源極之間，源極與輔助陰極之間的距離在10mm～20mm之間以產(chǎn)生等電位或不等電位空心陰極效應(yīng)。組成源極的欲滲合金元素主要指鉬、釩、鉻、鈷、鈦、鋁、鉭、鎳、鈮、銅等合金元素。本發(fā)明中被滲工件的材料為含碳≤0.10％的鋼，合金鋼，不銹鋼，耐熱鋼，鎳基合金，鈦基合金等金屬材料。被滲合金元素的工件表面形成合金層，經(jīng)固溶和時(shí)效處理后表面合金層的析出相應(yīng)是金屬間化合物，與其它沉淀硬化鋼析出的是合金碳化物，合金氮化物等不一樣。
由此可以看出由于將表面合金化技術(shù)與后續(xù)處理技術(shù)有效地組合，從而使工藝具有較先進(jìn)的特點(diǎn)。
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，如前述的航空工業(yè)中。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。
本發(fā)明的具體施實(shí)過程是這樣完成的；將工件作為陰極，欲滲合金元素作為源極，輔助陰極是空心的，可以是方形、園形、或其它形狀的桶形。將它們置于一個(gè)可以抽成真空并能充入惰性氣體以形成一定氣體壓力的密封容器內(nèi)。此壓力容器極限真空度不低于10-1Pa，工作時(shí)可以充入一定的氣體介質(zhì)，如氬氣，工作氣壓一般在5Pa～1333Pa，所配置的兩套0～1500v的可調(diào)直流電源或高壓脈沖直流電源與真空容器中的陰極、源極和陽極分別連接(兩個(gè)電源共陽極)。工件放置時(shí)，要求工件表面之間或工件表面與輔助陰極表面之間，源極表面與陰極表面，源極表面與輔助陰極表面之間相距10mm～20mm。源極是由欲滲合金元素鉬、鉻、鈷、鎳、鋁元素組成。其形狀仿制工件形狀與之平行對置。在工作氣壓及工作電壓范圍內(nèi)，工件(陰極)與工件，工件與輔助陰極，工件與源極，源極與源極，源極與輔助陰極之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的空心陰極放電。本發(fā)明的實(shí)施參數(shù)陰極電位為-450V，源極的電位為-1200V。經(jīng)雙層輝光離子滲金屬后的基體表面形成的沉淀硬化不銹鋼3種成分，如下試樣1:Cr:14.5％,Ni:8％,Mo:2.5％,Al:1％試樣2:Cr:12％,Ni:4.5％,Co:12.5％,Mo:5％試樣3:Cr:15％,Ni:0.2％,Co:20％；Mo:3％為了形成表面高性能的沉淀硬化不銹鋼，在形成含有鈷、鉬、鉻等高合金層后進(jìn)行后續(xù)，固溶處理及時(shí)效處理。固溶處理溫度在800～1100℃，時(shí)效處理溫度在300～500℃。通過固溶和時(shí)效處理使被處理工件表層達(dá)沉淀硬化不銹鋼硬度及性能。
本實(shí)施例硬化的析出相為金屬間化合物如Ni3Mo,AB2和Fc2Mo。
權(quán)利要求
1．一種沉淀硬化不銹鋼表面冶金工藝技術(shù)是將一密閉的真空容器中置入欲滲合金元素組成源極，被滲合金元素的工件作為陰極、公共陽極及輔助陰極，在陰極、源極與陽極之間配有兩套0～1500v可調(diào)的直流電源或0～1500v可調(diào)的直流脈沖電源，真空容器的極限真空度不小于10-1Pa，工作時(shí)充入惰性氣體(如Ar)，工作氣壓一般在5～1333Pa，工件滲金屬溫度900～1000℃，陰極與陽極之間電壓-400～-1500V，源極與陽極電壓-900～-1500V，其特征在于利用輝光放電中的空心陰極效應(yīng)進(jìn)行加熱滲金屬并在工件表面形成一高合金層，合金層成分范圍Cr:13～25％；Ni:0～10％；Co:12～25％；Mo:1～5％；Al:0～3％；Ti:0～1％；Cu:0～5％；V:0～1％；Nb:0～1％；Ta:0～1％，隨后進(jìn)行800～1100℃的固溶和300～500℃的時(shí)效處理，使合金層中的合金元素以Ni3Al、Ni3Ti、Ni3Mo、AB2(拉氏相)或x相、Fe2Mo等金屬間化合物的形式彌散均勻細(xì)小的析出，形成表面沉淀硬化不銹鋼。
2．根據(jù)權(quán)利1的方法工件置于內(nèi)設(shè)有陰極、陽極，輔助陰極及源極，可抽成真空且工作時(shí)又可充入惰性氣體介質(zhì)氬的容器中的輔助陰極空腔內(nèi)，工件與工件之間，工件與輔助陰極之間，工件與源極之間，源極與輔助陰極之間的距離在10mm～20mm之間，以產(chǎn)生等電位或不等電位空心陰極效應(yīng)，組成源極的欲滲合金元素主要是指鉬、鉻、釩、鉆、鈦、鋁、鉭、鎳、鈮等合金元素。
3．根據(jù)權(quán)利1的方法，被滲工件材料為含碳≤0.10％的鋼、合金鋼、不銹鋼、耐熱鋼、鎳基合金、鈦基合金等金屬材料。
4．根據(jù)權(quán)利1的方法，表面合金層析出的強(qiáng)化相，應(yīng)主要是金屬間化合物，與其它沉淀硬化鋼析出的是合金碳化物不一樣。
全文摘要
一種沉淀硬化不銹鋼表面冶金工藝屬于金屬表面冶金的范疇,具體講是一種在普通金屬材料表面形成沉淀硬化不銹鋼的固態(tài)表面冶金工藝。其特征在于是首先利用雙層輝光離子滲金屬技術(shù)在金屬表面形成一高合金層,然后進(jìn)行固溶和時(shí)效處理達(dá)到沉淀硬化不銹鋼的性能要求的一種金屬表面冶金工藝。該工藝可節(jié)省大量貴重合金元素,加工方便,具有工藝簡便,成本低,性能優(yōu)良的特點(diǎn)。
文檔編號C23C10/60GK1214374SQ98119059
公開日1999年4月21日 申請日期1998年10月14日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月14日
發(fā)明者劉小萍, 李忠厚, 高原, 蘇永安, 徐重 申請人:太原理工大學(xué)