雙輝等離子滲鍍鉻的特性研究

時間：2013-04-09 09:33:12 來源：作者：陳戰

雙輝等離子滲鍍鉻的特性研究

陳戰

武漢首發材料科技有限公司湖北武漢 430000

摘要：利用雙層輝光等離子滲金屬技術，在低碳鋼表面分別進行不同溫度滲鍍Cr處理。對不同工藝條件下滲鍍層的組織組成、晶體結構、成分分布、表面硬度進行檢測和分析。結果表明：通過控制工藝參數，可得到由沉積層、擴散層以及沉積層+擴散層組成的不同滲鍍層；表面物相均由鐵（Fe）及鐵鉻固溶體（Fe-Cr）組成；鉻濃度呈梯度分布，表面含量最高可達39.49%；與基體相比，滲鍍層表面顯微硬度提高不大，固溶強化效果不明顯。

關鍵詞：雙層輝光等離子滲金屬；不同工藝；沉積層；擴散層

Study on Plasma Chromizing by double glow discharge

technology

Abstract：A layer includes chromium was produced on the surface

of the low-carbon steel with the double glow plasmametallurgy surface

alloying technology at high and low temperature respectively. And

analysis the organization structure, phase composition, component

distribution and the hardness of the surface of the layer includes

chromium by dealing with different technics. The results showed

that: A special layer includes the diffused layer , the sedimentary

layer and the diffused layer + the sedimentary layer can be obtained

by controlling the process parameters; the phase on the surface are

componented by iron (Fe) and solid solution of chromium and iron

(Fe-Cr); the tiptop content of chromium can reach to 39.49% and

Compared with the primary sample ，the surface hardness of chromized

is Not to raise，Solid solution strengthening effect was not obvious.

Key words: double glow discharge alloying process；different

process；sediment；diffusion layer

1 引言

雙層輝光等離子滲金屬技術[1]是我國學者在八十年代初發明的表面合金化技術，該技術成功地解決了高熔點金屬的滲入技術問題。采用該技術，可使用較少的合金元素，使材料表面具有特殊的物理、化學和機械性能。用成本低廉的普通碳鋼材料通過表面合金化代替許多昂貴的高合金鋼。與冶煉合金鋼相比，可大大減少合金元素的消耗量，降低成本。與固體法、液體法、氣體法滲金屬相比，離子滲金屬具有滲速快、滲層成分易于控制、滲層與基體結合強度高、無公害等優點。

本文采用雙層輝光等離子滲金屬技術，在低碳鋼表面分別進行不同溫度[2，3]滲鉻處理，對不同工藝獲得的含鉻合金層進行成分以及組織結構分析。

2 試驗材料與設備

試樣材料為退火態的Q235鋼，加工成Ф12×12mm的圓柱試樣，兩端面磨光使Ra≤0.8um；源極材料含鉻量64%，其余為鐵和少量粘結劑，用冶金方法加工制成直徑Ф6mm的鉻絲。

用LDMC-1型15KW多功能等離子輝光放電設備進行滲鉻工藝試驗，用WDL-31光電溫度計測定滲鉻工藝溫度，用CMM-30型金相顯微鏡觀察組織，用HV-1000型顯微硬度檢測儀測定滲層硬度，用Bruker-axs-D8型X射線衍射儀測定滲層的物相，用輝光放電剝層成份分析儀（GDA750）測量鉻的濃度與分布。

3 滲鉻工藝試驗結果及分析

3.1 試驗工藝見表1

表一試驗工藝.jpg

3.1.1 極間距對滲鍍鉻的影響

極間距是影響試樣溫度與不等電位空心陰極效應的重要因素，故雙輝等離子滲金屬的極間距應保持在一定的工藝范圍內。由工藝一和工藝二可以看出，在保證其它工藝參數不變的條件下，減小極間距，可增強的不等電位空心陰極效應，有利于源極濺射和加速活性鉻離子、原子或粒子團向試樣表面遷移，增加滲鍍層厚度，同時提高試樣溫度。

3.1.2 源極電壓對滲鍍鉻的影響

濺射量與濺射電壓的高低有關。當濺射電壓高于600 V時，濺射量劇烈增加。一般源極電壓高于600V，達到900V以上。具有較高能量轟擊源極的離子，其濺射量大一些，本試驗所有工藝源極電壓確定為1000V。

3.1.3陰極電壓對滲鍍鉻的影響

雙輝等離子滲金屬的陰極電壓一般小于600V，在300V～500V之間，處于較低電位的陰極(工件) 表面,轟擊離子將大部分的動能轉化為熱能加熱工件,并對工件表面產生較小的濺射。工件表面因濺射產生的空位等缺陷吸引了來自源極的欲滲合金元素,在高溫下欲滲合金元素擴散滲入工件內部,形成含有欲滲金屬元素的表面合金擴散層。工藝三在工藝二的基礎上陰極電壓由300V提高到480V，提高了試樣溫度，增強了陰極濺射作用，形成了明顯的擴散層。工藝四通過提高占空比，在控制溫度保持1000℃的同時降低了陰極電壓，結果得到了由沉積+擴散組成的復合滲鍍層。

3.1.4 占空比的影響

占空比是陰極輸出有效電流/總電流的比值，通過調整占空比，可改變其它工藝參數，控制試樣在一定的溫度范圍內。

3.1.5 氣壓的影響

氣壓對源極和陰極的濺射有重要的影響。較低氣壓不利于源極濺射、試樣表面活化與缺陷的產生；較高氣壓離子、粒子、原子之間碰撞幾率增高，背散射效應增強，源極被濺射出的能到達試樣表面的活性粒子總量減少，活性粒子能量降低，不利于合金元素的供給與擴散。高溫滲鉻時，氣壓對滲鉻的影響存在一極值[4](約30～40Pa)，本試驗氣壓確定為30Pa。

3.1.6 時間的影響

保溫時間是影響滲鍍層厚度的主要工藝參數。在滲鉻的初期，離子的轟擊一方面在試樣表層產生位錯、空位等缺陷，并向內形成快速擴散通道；另一方面可充分的活化表面，使鉻的活性原子較易吸附于表面，形成較高的鉻濃度梯度，加速鉻向基體的擴散；后期的滲鉻只能依靠已建立的表面鉻濃度梯度向內擴散。滲層厚度的增加與時間呈拋物線關系，時間越長滲層增加越緩慢。根據雙輝滲金屬回歸方程的計算[5]，高溫滲鉻4小時的滲鍍層厚度可達50um以上，故本試驗的保溫時間確定為4h。

3.1.7 溫度的影響

溫度對滲層成分和厚度的影響主要表現在對合金元素擴散能力的影響。溫度升高，使吸附在試樣表面的合金元素的擴散速度增大。本試驗分別采用高、低溫進行滲鉻，考察不同溫度下滲鍍層的成分和結構。

3.2試驗結果及分析

3.2.1金相組織分析

圖1.jpg

從圖1可以看出：

工藝一低于AC1，試樣表面形成了3um左右的沉積層。可能是由于雙層輝光滲金屬時溫度影響較大[6]，滲入溫度較低，合金元素擴散速度較小，且鉻源極濺射供給量＞陰極工件表面濺射量+向內擴散量。

工藝二高于AC1，在工藝一其它參數不變的情況下，陰極工件與源極之間的間距從52mm減小至35mm，試驗溫度從630℃提高到900℃，形成沉積層厚度增加至20um。極間距的縮小，提高工件溫度，有利于濺射和沉積。此工藝條件下的沉積層和基體結合力較差，有明顯縫隙。兩種工藝條件下均未形成明顯擴散層[7]。極間距的減少增加了源極濺射，故增加了沉積層的形成。過早的沉積層的形成，成為阻礙活性原子向內擴散的障礙層，減小了擴散層。

工藝三是在工藝二的基礎上提高了陰極工件的電壓，同時，滲鉻溫度提高到1000℃，形成了明顯的擴散層，厚度約為50um。組織均勻致密，未見沉積層。可能是在工藝三條件下，隨著陰極電壓的提高，陰極工件濺射量增加，試樣表面源極供給量和陰極濺射量+擴散量達到平衡所致。

工藝四與工藝三相比，降低了陰極電壓，提高占空比，在相同溫度條件下，形成的滲鍍層厚度增加到123um左右，滲鍍層由沉積層和擴散層組成。可見，隨著陰極電壓的降低，陰極工件的濺射量也隨之減少。此時，源極供給量＞陰極濺射量+擴散量。由圖可見，表面沉積層不致密存在孔洞，但是與基體結合較工藝一和工藝二緊密。陰極電壓的降低使得工件表面的反濺射量減少，試樣表面鉻濃度較工藝三高，在相同時間滲鍍層厚度明顯增加。

3.2.2滲鍍層的X衍射檢測

圖2.jpg

圖2為不同工藝條件下的X衍射圖。可以看出，四種工藝條件下表面的物相組成均為鐵（Fe）及鐵鉻固溶體（Fe-Cr）。

3.2.3 滲鍍層的鉻濃度分布

表2.jpg

表2為不同工藝條件下的滲鍍層鉻濃度分布值，可以看出：工藝一形成的含鉻層約為3um，說明在低溫條件下，滲鍍層主要為沉積層，鉻濃度分布梯度大，合金元素擴散很困難；工藝二的表面為沉積層，鉻濃度為34.61%，20um鉻濃度在4%以上，20um后平均鉻濃度較低，沒有形成明顯擴散層；工藝三的表面鉻濃度為21.84%，濃度梯度平緩，滲鍍層達50um左右；工藝四形成的表面鉻濃度最高，達39.49%，50um范圍內鉻濃度在22%以上，滲鍍層厚度在123um左右，鉻濃度呈梯度平緩分布。

3.2.4 滲鍍層的顯微硬度

表3.jpg

表3是用HV-1000型顯微硬度檢測儀，10g載荷，加載20s所測得的不同工藝條件下的顯微硬度值。可以看出，四個工藝所檢測的表面硬度和基體基本上相當。說明單純滲鉻所形成的鐵鉻固溶體（Fe-Cr），其固溶強化效果不明顯，必須采用后續滲碳淬火[8]或氮化[9]來提高表面硬度。

4 結論

（1）采用雙層輝光等離子滲鉻技術，可在低碳鋼表面形成含鉻滲鍍層；

（2）在本試驗工藝條件下，630℃×4h低溫下滲鍍層較薄，滲鍍層為單一沉積層；900℃×4h沉積層厚度增加，依然未形成明顯的擴散層，可能與工藝參數有關；1000℃×4h可形成由單一擴散層或由沉積+擴散復合滲層的不同滲鍍層，單一擴散層的厚度為50um，復合滲鍍層的厚度為123um左右。陰極濺射電壓的提高有助于減少沉積層的形成。極間距的減少增加了源極濺射，故增加了沉積層的形成。過早的沉積層的形成，成為阻礙活性原子向內擴散的障礙層，減小了擴散層。