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碳素工具钢是制造刀具、模具、量具等的常用材料,虽然具有足够的强度,一定的韧性,成本低廉且加工容易,但表面硬度、耐磨性能远不及合金工具钢,为此,对碳素工具钢表面进行改性,使其表面性能接近、达到或超过合金工具钢乃至达到高合金工具钢的水平,在节约资源的同时拓展碳素工具钢的应用将有十分重要的意义。双层辉光(下称双辉)等离子渗铬是表面改性的重要方法之一,具有渗速快,无污染,能耗低等优点,謦前各种方法渗铬温度一般在800℃以上。由于处理温度高,必将引起工件较大变形甚至使基体组织恶化,且渗铬后通常还需进行渗碳、淬火及回火,将使工艺复杂化。因此,降低渗铬温度、简化工艺过程是当前渗铬工艺研究的重要方面。双辉低温等离子渗铬将是解决以上问题值得探索的一种工艺方法。 本文采用双辉等离子渗铬技术,以T10钢为基材,首次在560℃条件下,系统研究了离子氮化十双辉等离子渗铬复合处理(下称工艺1)时的工艺、组织、结构和性能;双辉等离子渗铬十离子氮化复合处理(下称工艺2)时的工艺、组织、结构和性能;并对工艺1和工艺2进行了比较、分析和研究,结果表明: (一)工艺1: (1)基材表面形成有效的铬渗镀层,渗镀层由沆积层十扩散层组成,沉积层组织致密,与基体结合良好,基体中的组织、结构、晶粒、碳化物等无明显变化; (2)沉积层铬含量约48~58％(质量分数);且含铬量随氮化时间和渗铬时间的增加而增加;扩散层铬含量从外向内呈梯度分布,并随氮化时间与渗铬时间的增加而增加。但氮化时间增加到8h后,铬含量提高的幅度不明显; (3)渗镀层总深度达20--30um,且随氮化时间和渗铬时间的增加而增加; (4)渗镀层表面物相主要由Fe-Cr,CrN,Cr-rC3,Cr23C6组成,剥去沉积层后X射线衍射表明,扩散层物相主要由Fe-Cr组成; (5)不同时间氮化后渗铬,表面显微硬度约1000-1250HV,硬度向内逐步降低,呈梯度分页,且随氮化时间的增加而增加; (6)显微镜下观察维氏硬度压痕,压痕清晰,无边角破损;经划痕试验,渗镀层与基体的结合较好; (7)基体内的氮原子具有固定铬的作用,能促进渗镀层的铬含量的提高,可加速铬向基体内的扩散;且在T10钢的相交点下,温度越低,氮的促渗作用越明显; (8)渗入的氮原子使基材表面一定范圈内出现碳化物溶解现象,氮化时间越长,碳化物溶解越明显; (二)工艺2: (1)基材表面也能形成育效铬渗镀层,渗镀层由沉积层十扩散层组成,沉积层组织致密,与基体结合良好; (2)沉积层铬含量约45~48%(质量分数),含铬量随渗铬时间的增加而增加,扩散层铬含量从外向内呈梯度分布,并随渗铬时间的增加而增加; (3)渗镀层深约15~24um;且随渗铬时间的增加而增加; (4)渗镀层表面物相主要由Fe—Cr,CrN,Cr7C3,Cr23C6,Fe4N组成,剥去沉积层后X射线衍射表明,扩散层物相主要由Fe—Cr组成; (5)表面显微硬度约1200~135HV,硬度向内逐步降低,呈梯度分布; (6)显微镜下观察维氏硬度压痕,压痕清晰,无明显边角破损,但边角不税利;经划痕试验,渗镀层与基体的结合较好; (三)工艺1与工艺2的比较: (1)二者的渗层组织相似,对基体组织均无明显影响,但工艺1的沉积层下面出现一定程度的碳化物溶解区,而工艺2无此现象; (2)在渗层的同一深度中,工艺1的铬含量比工艺2的铬含量高,高约6~15%; (3)工艺1所得渗层深度比工艺2所得渗层深,深度增加约20~25%; (4)工艺2的渗层中出现了铁的氮化物(Fe4N),其余物相与工艺1的相同; (5)工艺2的渗层表面硬度比工艺1表面硬度高,提高幅度约10~20%; (6)工艺2的渗层脆性比工艺1的渗层脆性略为增加,沉积层与基体的结合力略为降低; (四)工艺研究结论: 工艺1的渗层较工艺2的渗层具有更好的综合性能; 优化工艺与参数为:氮化55℃×8h+渗铬56℃×4h,极间距50~60mm,阴极电压一275~一325V,源极电压一700~一851V,工作气体氩气,工作气压25~35Pa; (五)磨损试验结论: 采用工艺1处理的试样与T10钢淬火+低温回火处理试样进行磨粒磨损对比试验,结果表明: (1)渗镀层厚度大于或等于磨粒粒度时,耐磨性比T10钢整体淬火+低温回火处理的试样高约2.5倍,且耐磨性随氮化时间的增加略为提高; (2)渗镀层厚度小于磨粒粒度时,耐磨性较T10钢整体淬火+低温回火处理的试样低。