沉淀硬化不锈钢表面冶金工艺 本发明沉淀硬化不锈钢表面冶金工艺属于表面冶金的范畴。具体而言是一种沉淀硬化不锈钢的固态表面冶金工艺。
目前使用的沉淀硬化不锈钢，是通过冶炼方法由液态向固态结晶凝固并经固溶和时效处理而形成的。
在飞速发展的航空工业中，许多零部件表面工作温度很高，必须满足一定的强度要求(一般认为σb1500MN/m2以上)及结构上有高的比强度(强度/比重)，因铝合金及钛合金的比强度较高，故在航空工业上得到较大应用。但是，铝合金在150℃，钛合金在450℃以上其比强度均显著降低，而且钛合金价格昂贵，工艺复杂。沉淀硬化不锈钢，利用金属间化合物Ni3Al、Ni3Ti、Ni3Mo,AB2(拉氏相)，x相沉淀硬化，可获得高的强度(σb可达2000MN/m2)。因此在航空工业方面这种沉淀硬化超高强度钢获得广泛应用。
在目前使用的沉淀硬化不锈钢中，在许多方面只要求钢表面具有高的性能，即可满足使用要求。然而由于该钢真空冶炼成型，全部整体高合金钢制造，工艺复杂，而且成本高。造成许多贵重合金元素的浪费。
现已公开的美国专利，专利号为4,520,268，涉及一种表面合金化技术，即只强调在基体表面渗入合金元素，对随后的技术处理未加以叙述。另外公开的中国专利CN87104358.0是利用双层辉光离子渗金属技术形成高合金层以后进行渗碳、淬火处理。其强化机理是靠碳化物来实现的。
本发明沉淀硬化不锈钢表面冶金工艺目的是利用已发明的双层辉光离子渗金属技术或其它表面冶金技术，首先在价格较低廉的铁基材料表面渗入合金元素，形成表面合金层；随后进行固溶及时效处理，使表面合金层达较高的强度和硬度，从而满足使用时对表面的性能要求。
本发明是一种沉淀硬化不锈钢表面冶金工艺技术，是将一密闭的真空容器中置入欲渗合金元素组成源极，被渗合金元素的工件作为阴极，公共阳极及辅助阴极。在阴极、源极与阳极之间配有两套0～1500V可调直流电源或0～1500V可调直流脉冲电源，真空容器地极限真空度不小于10-1Pa，工作时充入惰性气体如氩气、氮气，工作气压一般在5～1333Pa，工件渗金属温度900～1000℃，阴极与阳极之间电压-400～-1500V，源极与阳极电压-900V～-1500V，本发明的特征在于利用辉光放电中的空心阴极效应进行加热渗金属，并在工件表面形成一高合金层，合金层成份范围为：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％。随后进行800～1100℃的固溶和300～500℃的时效处理，使合金层中的合金元素以Ni3Al,Ni3Ti,Ni3Mo,AB2(拉氏相)，x相或Fe2Mo等金属间化合物的形式弥散均匀细小的析出，形成表面沉淀硬化不锈钢。
本发明中工件置于内设有阴极、阳极、辅助阴极及源极，可抽成真空且工作时又可充入惰性气体介质(如氩气、氮气)的容器中的辅助阴极空腔内。工件与工件之间，工件与辅助阴极之间，工件与源极之间，源极与辅助阴极之间的距离在10mm～20mm之间以产生等电位或不等电位空心阴极效应。组成源极的欲渗合金元素主要指钼、钒、铬、钴、钛、铝、钽、镍、铌、铜等合金元素。本发明中被渗工件的材料为含碳≤0.10％的钢，合金钢，不锈钢，耐热钢，镍基合金，钛基合金等金属材料。被渗合金元素的工件表面形成合金层，经固溶和时效处理后表面合金层的析出相应是金属间化合物，与其它沉淀硬化钢析出的是合金碳化物，合金氮化物等不一样。
由此可以看出由于将表面合金化技术与后续处理技术有效地组合，从而使工艺具有较先进的特点。
本发明工艺处理的工件可以满足对于表面性能要求较高的情况，如前述的航空工业中。对于一些不仅表面要求高而心部也要求高强度工件，可以首先选择较高强度的基材再进行本发明的处理工艺，可达到其使用要求。
本发明的具体施实过程是这样完成的；
将工件作为阴极，欲渗合金元素作为源极，辅助阴极是空心的，可以是方形、园形、或其它形状的桶形。将它们置于一个可以抽成真空并能充入惰性气体以形成一定气体压力的密封容器内。此压力容器极限真空度不低于10-1Pa，工作时可以充入一定的气体介质，如氩气，工作气压一般在5Pa～1333Pa，所配置的两套0～1500v的可调直流电源或高压脉冲直流电源与真空容器中的阴极、源极和阳极分别连接(两个电源共阳极)。工件放置时，要求工件表面之间或工件表面与辅助阴极表面之间，源极表面与阴极表面，源极表面与辅助阴极表面之间相距10mm～20mm。源极是由欲渗合金元素钼、铬、钴、镍、铝元素组成。其形状仿制工件形状与之平行对置。在工作气压及工作电压范围内，工件(阴极)与工件，工件与辅助阴极，工件与源极，源极与源极，源极与辅助阴极之间产生强烈的空心阴极放电。本发明的实施参数阴极电位为-450V，源极的电位为-1200V。经双层辉光离子渗金属后的基体表面形成的沉淀硬化不锈钢3种成分，如下：
试样1:Cr:14.5％,Ni:8％,Mo:2.5％,Al:1％
试样2:Cr:12％,Ni:4.5％,Co:12.5％,Mo:5％
试样3:Cr:15％,Ni:0.2％,Co:20％；Mo:3％
为了形成表面高性能的沉淀硬化不锈钢，在形成含有钴、钼、铬等高合金层后进行后续，固溶处理及时效处理。固溶处理温度在800～1100℃，时效处理温度在300～500℃。通过固溶和时效处理使被处理工件表层达沉淀硬化不锈钢硬度及性能。
本实施例硬化的析出相为金属间化合物如Ni3Mo,AB2和Fc2Mo。