专利名称：铁、钨、钼、钴型表面时效硬化合金的制作方法
技术领域：
本发明铁、钨、钼、钴型表面时效硬化合金属固态表面冶金范畴。
普通冶金产品铁、钨、钼、钴时效硬化合金已列入美国冶金产品目录，郭耕三所著的由机械工业出版社出版的《高速钢及其热处理》一书中有相关的介绍。国内对铁、钨、钼、钴型，铁、钨、钼、钴、镍型合金也已进行了研究，研究文章发表在1993年机械工程材料杂志。铁、钨、钼、钴时效硬化合金在钛合金和镍基高温合金加工方面显示出很大的优越性。但由于其高的合金含量，特别是高的钴含量，使这种合金韧性不足，价格昂贵，这些均影响了这种合金的广泛应用。
本发明铁、钨、钼、钴型表面时效硬化合金公开一种在价格低廉材料表面进行铁、钨、钼、钴合金化，形成铁、钨、钼、钴型表面时效硬化合金的技术方案。
铁、钨、钼、钴型表面时效硬化合金其技术特征在于采用钨、钼、钴源，源成分为钴(37-45％)，钨(28-35％)，钼(25-35％)，利用双层辉光离子渗金属技术或其它表面冶金技术在低碳钢、工业纯铁、高碳钢或低合金钢基材表面形成铁、钨、钴，铁、钼、钴或铁、钨、钼、钴高合金层的一种合金。其表面合金表层的成分范围是钴(18～30％)，钨(9～20％)，钼(5～15％)其余铁。铁、钨、钼、钴型表面时效硬化合金渗金属、固溶、时效之后的组织，内层因所选基材不同而不同，表层组织分别为合金铁素体和分布于基体上的金属间化合物、低碳合金马氏体和残留的少量奥氏体和部分未溶金属间化合物、回火马氏体和大量析出的细小金属间化合物和原先未溶金属间化合物。
利用双层辉光离子渗金属技术进行表面合金化，其渗金属工艺为渗金属温度θ1150～1260℃，渗金属时间t≥4小时，工作气体工业纯氩，炉内气压P:30～100Pa，源极电压V:900～1400v，源极电流面密度σ:2.5～4mA/cm2,阴极电压V:350～600v，阴极电流面密度σ:1.3～3mA/cm2。铁、钨、钼、钴型表面时效硬化合金渗金属之后进行固溶和时效处理，其热处理工艺为固溶温度θ:1200～1260℃，加热时间随工件尺寸而定，油中冷却；时效温度θ:500～560℃，加热时间20～60分钟，铁、钨、钼、钴型表面时效硬化合金通过固熔和时效处理发生强烈的时效硬化。其硬化特征是通过析出弥散的金属间化合物而发生硬化，时效后硬度由固溶态的400Hv0.2左右上升到1000～1200Hv0.2,700℃加热2小时表层硬度仍在600～700Hv0.2。
本发明的具体实施步骤如下1．源极制作利用钨、钼、钴的原子量，利用原子百分比与重量百分比的转换关系，利用钨、钼、钴在1kev能量下的溅射率等数据进行源极成分设计，用粉末冶金方法或其它冶金方法制做源极。源极成分为钴37～45％，钨28～35％，钼25～35％。根据要求，源极可制成各种形状，如板状，条状，刷状等。
2．工件选择根据需要，工件可以是低碳钢、工业纯铁、高碳钢或合金钢。当碳量大于0.2％时，在表面合金化之前，先进行表层一定深度的脱碳处理，以保证时效时表层主要发生金属间化合物的析出强化。
3．双层辉光离子渗金属在双层辉光离子渗金属炉中，以制作的源极板为源极，以所选工件为阴极，以工业纯Ar为工作气体进行表面合金化。具体渗金属工艺如前所述。
4．固溶、时效处理将渗金属试样在高温盐炉中加热，然后油中冷却。将固溶试样在回火炉中进行时效处理，具体热处理工艺如前所述。时效时通过析出(FeCo)3(WMo)2,(FeCo)7(WMo)6,(FeCo)2(WMo)等弥散相发生强烈的时效硬化作用。
表面铁、钨、钼、钴型时效硬化合金与普通铁、钨、钼、钴型时效硬化合金相比具有如下优点①由于表面合金是通过固态冶金方法获得，所以合金中不存在一次金属间化合物，金属间化合物极其细小弥散，这样在固溶时，绝大部分金属间化合物都溶解于基体中，即大部分合金元素都参与了析出强化，提高了硬化效果。通过维氏硬度与洛氏硬度对照可知，表面铁、钨、钼、钴型时效硬化合金的时效硬度超过70HRC，即硬度大大超过普通铁、钨、钼、钴时效硬化合金68.5HRC的水平。②由于是表面合金化，因而节约了大量合金元素，特别是钴，节省了资源，降低了成本，提高了产品的市场竞争能力。③实验证明，与普通铁、钨、钼、钴时效硬化合金相比，表面合金在较宽的成分范围和较宽的工艺范围获得满意的性能，因而渗金属工艺和热处理工艺都易于执行。④由于表面合金具有梯度成分，与普通合金相比，它不但具有高的强度，而且还具有优良的韧性。
表面铁、钨、钼、钴时效硬化合金与表面高速钢相比具有如下优点①热处理工艺简单。表面铁、钨、钼、钴时效硬化合金的热处理工艺是固溶处理+时效处理。而表面高速钢的热处理工艺是固溶处理+渗碳处理+淬火处理+回火处理。从热处理工艺可看出，表面铁、钨、钼、钴时效硬化合金的热处理工艺比表面高速钢的热处理工艺要简单的多，这样，它可以节省能源，降低成本，减少热处理变形，提高产品的合格率。②性能优良。表面铁、钨、铝、钴时效硬化合金经固溶处理后硬度为400Hv0.2左右，经时效处理后硬度达到1000～1200Hv0.2，而表面高速钢的热处理后的最高硬度在750Hv0.2左右。因此，表面铁、钨、钼、钴时效硬化合金的性能远优于表面高速钢的性能。高温抗软化试验表明表面铁、钨、钼、钴时效硬化合金在700℃保温2小时，硬度仍保持600～700Hv0.2，而表面高速钢700℃保温2小时，硬度却只有350Hv0.2左右。说明表面铁、钨、钼、钴时效硬化合金的抗高温软化能力远优于表面高速钢的抗高温软化能力。表面铁、钨、钼、钴时效硬化合金不仅可用于切削刃具而且也可用于高耐磨领域。
实施例1，以钨35％，铝20％，钴45％的合金为源极，以工业纯铁为工件，用双层辉光离子渗金属技术按下列工艺进行渗金属V阴=-450v,阴极电流面密度σ=1.65mA/cm2,V源=-1100v，源极电流面密度σ=3.42mA/cm2，渗金属温度θ=1240℃，渗金属时间t=6小时，气压P=40Pa。渗金属后，表层的合金成分为钴25％，钨12％，钼9％其余铁。
实施例2，以实施例1的表面合金进行固溶和时效处理，工艺为固溶温度θ=1240℃，盐炉中加热5分钟，然后油中冷却。将固溶试样在540℃的回火炉中进行时效处理，时效时间40分钟。固溶后硬度420Hv0.2，时效后硬度达到1200Hv0.2。时效时通过析出(FeCo)3(WMo)2,(FeCo)7(WMo)6,(FeCo)2(WMo)等弥散相发生强烈的时效硬化作用。
权利要求
1．铁、钨、钼、钴型表面时效硬化合金其特征在于采用钨、钼、钴源，源成分为钴(37-45％)，钨(28-35％)，钼(25-35％)，利用双层辉光离子渗金属技术或其它表面冶金技术在低碳钢、工业纯铁、高碳钢或低合金钢基材表面形成铁、钨、钴、铁、钼、钴或铁、钨、铝、钴高合金层的一种合金。其表面合金表层的成分范围是钴(18～30％)，钨(9～20％)，钼(5～15％)其余铁；铁、钨、钼、钴型表面时效硬化合金渗金属、固溶、时效之后表层组织分别为合金铁素体和分布于基体上的金属间化合物、低碳合金马氏体和残留的少量奥氏体和部分未溶金属间化合物、回火马氏体和大量析出的细小金属间化合物和原先未溶金属间化合物，内层组织因所选基材不同而不同。
2．按照权利1铁、钨、钼、钴型表面时效硬化合金所属的低碳钢、高碳钢或低合金钢基材碳含量大于0.2％时，在表面合金化之前先进行表层深脱碳处理。
全文摘要
本发明铁、钨、钼、钴型表面时效硬化合金属固态表面冶金范畴,具体涉及一种表面铁、钨、钼、钴合金的制备及固溶时效处理工艺。本发明的技术特征是制备钨、钼、钴源,利用双层辉光离子渗金属技术在选定基材表面形成铁、钨、钼、钴高合金层,通过固溶和时效处理,产生显著的时效硬化。本合金具有热处理工艺简单,热处理后工件必须变形小,处理后获得非常高的硬度的特点。渗金属后通过固溶时效处理,硬度就从固溶态的400Hv
文档编号C23C10/06GK1214375SQ9811906
公开日1999年4月21日 申请日期1998年10月14日 优先权日1998年10月14日
发明者李忠厚, 刘小平, 苏永安, 高原, 徐重 申请人:太原理工大学