等离子固态表面冶金钨-钼-重稀土高速钢的研究

The plasma alloying process was diffused W, Mo, Heavy Rare Earths Dy and Carbon supply on carbon steel surface, was prepared rare earths surface high-speed steel that surface composition close to the metallurgy high-speed steel. By complex processing, it makes rare earths surface high-speed steel performance to metallurgical high-speed steel..Key research: 1) In the plasma alloying process, the relationship between sputtering, adsorption and catalysis infiltration effects, role superlattice formation and diffusion mechanisms, distribution, volatile and performance with Dy; layer reaction diffusion phenomena, organizational characteristics, dynamics and thermodynamics analysis; different materials and source cathode impact on performance. 2) The principle of carbon addition on layer, carburizing process, quenching and tempering process, the composition of rare earths surface high-speed steel, organization, structure, hardness and carbide nature (including: organization, size, distribution, type, morphology, hardness, atomicthan, etc.); the assessmentrare of rare earths surface high-speed steel about wear resistance, red hardness assessment; 3) Achieve the technical index: [W] equivalent of surface ≥ 12%; the carbon content of surface more than the value of "balance carbon"; alloying layer thickness ≥ 80μm; strengthened layer ≥ 200μm; surface microhardness ≥ HV800 (HRC61); red hardness ≥ 580HV (HRC55, 600 ℃ × 4h), wear resistance and red hard performance are like metallurgical high-speed steel S3-3-2.

利用等离子表面冶金技术在碳钢表面渗入钨、钼、重稀土镝和碳，制备接近冶金高速钢成分的表面稀土高速钢。经后续复合处理，使表面稀土高速钢达到冶金高速钢性能。.重点研究：（1）镝在等离子表面冶金过程中的溅射、吸附及催渗作用，超点阵形成和扩散机制，分布状态，易挥发性以及与性能的关系；渗层反应扩散现象、组织特征、动力学及热力学分析；不同材料、不同源极配比对性能的影响；（2）渗层的配碳原则、渗碳工艺、淬火及回火工艺、表面稀土高速钢的成分、组织、结构、硬度和碳化物性质（包括：组织、尺寸、分布、种类、形貌、硬度、原子比等）的研究；表面稀土高速钢耐磨性、红硬性考核；（3）达到技术指标：表面[W]当量≥12%;表面含碳量超过'平衡碳'计算值，渗层厚度≥80μm;强化层≥200μm;表面硬度≥HV800（HRC61）；红硬性≥580HV（HRC55、600℃×4h），耐磨性和红硬性能达到冶金高速钢S3-3-2.

高速钢具有优异红硬性和耐磨性，但成分特殊，工艺复杂，价格昂贵，限制其应用。.加入稀土可提高表面硬度、疲劳强度、耐磨性、韧性、抗氧化性、耐蚀性、活化表面、促进吸附和扩散。.重点研究：.（1）在碳钢表面进行双辉等离子钨-钼-镝共渗（三元共渗，下同）。分析气压、温度、时间等参数对渗层影响；.（2）对共渗层渗碳。研究稀土对含碳量、碳化物类型、数量、性质、尺寸、形态、分布及结构影响；.（3）研究不同淬火和回火后，表面强化层成分、硬度、碳化物、结构、抗回火稳定性、耐磨性和高温耐磨性；.（4）研究稀土镝的扩散机制。. 研究结果：.（1）最佳共渗及渗碳工艺：源极电压850～900 V；试样电压500～600 V；极间距20mm，工作气压30 Pa；试样温度1050 ℃，保温时间4.5 h。共渗层厚度73 μm，表面[W]当量24.73%，镝含量2.31 wt%；渗碳980℃×5h，表面含碳量5.03 wt%；.（2）最优热处理工艺：1050℃淬火，550℃回火。强化层为：马氏体+M6C、M2C、MC型碳化物，碳化物尺寸≤ 1 μm，间距2～3 μm；硬度1153 HV0.05；红硬性855.5 HV0.05；.（3）对比三元共渗高速钢、钨钼表面高速钢（两元共渗，下同）和淬火4Cr13钢的摩擦磨损行为，1050℃淬火三元共渗高速钢在不同载荷（10～40 N）和不同摩擦速度（5、8 m/min）下耐磨性好于其他两种；.（4）200～500℃高温摩擦磨损，三元共渗高速钢的摩擦系数和磨损量随摩擦温度的升高先增大后减小，当载荷从5N提高到10N，摩擦系数降低但磨损量提高，说明三元共渗高速钢更适应于高温低载的摩擦工况，其中1050℃淬火三元共渗高速钢的高温耐磨性最好；.（5）稀土镝有催渗作用。①三元共渗和两元共渗对比，在表面0～5微米处加入镝的使钨、钼原子的扩散系数分别提高了0.94倍和0.62倍。在80微米处扩散速度分别提高了2.87倍和1.07倍；②加入镝使表面5微米处的钨、钼原子的扩散激活能分别降低了7.13和5.19KJ/mol，90微米处，分别降低32.2和10.83 KJ/mol；③三元共渗表层扩散主要机制是空位扩散，离子轰击使得表面空位浓度较高，形成由表向内梯度，促进原子扩散。次表面镝降低扩散激活能，对于扩散起重要作用。.将稀土资源优势和j自主知识产权结合，是一项创新技术。

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