雙輝等離子表面合金化改善鋼鐵耐蝕和耐磨性的研究現(xiàn)狀

謝瑞珍,周宏偉,鄒嬌娟,林乃明

(1. 太原理工大學(xué) 表面工程研究所,太原 030024; 2. 中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五二研究所,包頭 014034)

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雙輝等離子表面合金化改善鋼鐵耐蝕和耐磨性的研究現(xiàn)狀

謝瑞珍1,周宏偉2,鄒嬌娟1,林乃明1

(1. 太原理工大學(xué) 表面工程研究所,太原 030024; 2. 中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五二研究所,包頭 014034)

雙層輝光等離子表面合金化技術(shù)是一種有效提高鋼鐵表面性能的表面改性方法，介紹了該技術(shù)的技術(shù)原理和工藝研究，綜述了該技術(shù)在改善鋼鐵材料表面耐蝕和耐磨性方面應(yīng)用的研究現(xiàn)狀。

雙層輝光;表面合金化;鋼鐵;性能

鋼鐵材料由于具有良好的物理、力學(xué)和工藝性能，且價格低廉，已成為使用量最大，適用范圍最廣泛的金屬結(jié)構(gòu)材料[1-2]。服役過程中，由于長時間承受循環(huán)載荷、摩擦或接觸腐蝕介質(zhì)，鋼鐵材料會發(fā)生斷裂、磨損和腐蝕失效。基于上述失效形式均與材料表面性能有關(guān)，采用表面技術(shù)在鋼鐵表面形成具有特殊理化性能的改性層，可以提高材料的表面性能，達(dá)到滿足服役條件，延長使用壽命，甚至部分替代昂貴材料。

眾多表面技術(shù)中，雙層輝光等離子表面合金化技術(shù) (簡稱為雙輝技術(shù))在鋼鐵表面強(qiáng)化與改性方面的應(yīng)用較多，效果顯著，具有廣泛的應(yīng)用前景。該技術(shù)利用氣體放電所產(chǎn)生的低溫等離子體形成表面合金層，具有滲速快、滲層組織容易控制、變形小及能耗小成本低等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。本工作綜述了雙輝技術(shù)在改善鋼鐵材料表面耐蝕性和耐磨性方面的應(yīng)用，展望了鋼鐵材料雙輝技術(shù)表面改性的發(fā)展趨勢。

1　雙輝技術(shù)概述

雙輝光技術(shù)是在離子氮化技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是利用低真空條件下的氣體輝光放電所產(chǎn)生的等離子體，使普通材料表面形成具有特殊物理化學(xué)性能的合金層。合金層中合金元素含量可在較寬的范圍內(nèi)變化，合金層厚度可達(dá)到數(shù)百微米。

在真空輝光放電室中，除工件作為放電的一個陰極之外，再設(shè)置另一個陰極，即由欲滲合金元素構(gòu)成的“源極”。利用源極和陽極的輝光放電(在源極和陰極之間加一專用直流電源)所形成的氬離子轟擊源極材料，被濺射出來的合金元素經(jīng)沉積和擴(kuò)散，形成工件表面金屬合金的滲層。雙層輝光備有兩套直流電源，接通后陽極和陰極(工件)，陽極和源極間分別產(chǎn)生輝光，即形成所謂的“雙層輝光”放電現(xiàn)象。當(dāng)氬離子轟擊源極時，濺射出的金屬元素沖向工件，工件被離子轟擊而加熱到高溫，濺射出來沖向工件的金屬元素沉積和擴(kuò)散滲入工件表面，形成表面合金層。滲層金屬元素含量和滲層厚度，一般可通過工作氣壓、源極電壓、陰極電壓、保溫時間、源極與陰極間距等工藝參數(shù)在一定范圍內(nèi)加以調(diào)節(jié)、控制。圖1為雙輝技術(shù)的原理圖[4]。

圖1　雙輝技術(shù)原理Fig. 1　Schematic diagram of DGPSA

雙輝技術(shù)從設(shè)備的設(shè)計(jì)到元素添加的探索，由單元到多元，再到不同技術(shù)的復(fù)合以及工藝的不斷優(yōu)化，逐步實(shí)現(xiàn)了鋼鐵材料表面改性的優(yōu)化和升級，成功地在普通鋼鐵表面形成了高速鋼、不銹鋼及鎳基合金層等合金層。通過雙輝技術(shù)在鋼鐵基體上滲入金屬元素提高工件的耐蝕性和耐磨性，從而達(dá)到防護(hù)的效果。

2.1擴(kuò)散行為和等離子體研究

高原等[5]采用雙輝技術(shù)在Q195鋼表面進(jìn)行鉻-鎳共滲，形成雙元共滲改性層，并研究了擴(kuò)散行為。結(jié)果表明,從表面向內(nèi)，各元素的擴(kuò)散激活能升高，擴(kuò)散速率減小，含量減小；空位濃度也比相同條件下一般氣體滲金屬高2～3個數(shù)量級。

張艷梅等[6]在工業(yè)純鐵基體上分別進(jìn)行了單元滲鎢、二元滲鎢-鉬、三元共滲鎢-鉬-鈷，利用擴(kuò)散熱力學(xué)理論和擴(kuò)散微觀理論等揭示了鎢、鉬、鈷三種元素的擴(kuò)散交互作用。結(jié)果顯示,相同工藝條件下，由于各共滲元素之間的化學(xué)勢、元素空位濃度等影響單元、二元和三元共滲所得合金層的厚度依次減小。

王成磊等[7]采用雙輝技術(shù)，在碳鋼表面滲鈦形成含鈦固溶體擴(kuò)散層，之后通入氮?dú)鈴?fù)合鍍形成TiN層。研究發(fā)現(xiàn),TiN層的生長在厚度較薄時，顯示出{100}取向生長趨勢，而厚度較厚時，呈現(xiàn)出{111}擇優(yōu)取向，有利于TiN層系統(tǒng)自由能的降低。

劉燕萍等[8]利用發(fā)射光譜分析法研究了輝光等離子放電體，通過玻爾茲曼方程式和譜線展寬法求得不同工藝條件下輝光等離子體的電子溫度、電子密度，分析了電壓、氣壓對電子溫度、電子密度的影響。結(jié)果表明,電子溫度隨工作電壓的升高，工作氣壓的增大先減少后增大，然后又減少。

王從曾等[9-10]通過分析碳化物形成元素滲入時擴(kuò)散和表面濺射數(shù)學(xué)模型，采用有限差分法求解、計(jì)算脫碳深度和表層含碳量的分布，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。該方法在一定程度上能預(yù)測合金滲層深度和碳元素分布，滲層深度的誤差在5%以內(nèi)，總脫碳層深度的誤差在10%以內(nèi)。

2.2雙輝技術(shù)的工藝研究

池成忠等[11-13]采用雙輝技術(shù)分別對45鋼、55鋼、T8和T10鋼表面進(jìn)行滲鉻工藝優(yōu)化(以滲層厚度和成分為考察指標(biāo))。結(jié)果表明,880～900 ℃下最佳工藝參數(shù)為極間距20 mm，源極電壓-800 V，工件電壓-350～-280 V，氬氣壓45 Pa,保溫時間3 h。隨著滲鉻時間的增加，45鋼、T8和T10鋼的富碳區(qū)的寬度在增寬，碳含量峰值區(qū)逐漸向內(nèi)部移動。沉積層與鉻碳化合物層結(jié)合良好。

黃俊[14]采用柵狀空心陰極源極結(jié)構(gòu)(Ni80Cr20)，在Q235低碳鋼、45鋼和T8鋼三種碳鋼表面制備了鎳-鉻合金層，并優(yōu)化了工藝參數(shù)，進(jìn)行了電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)處理溫度為1 000 ℃,工作氣壓為51 Pa,極間距為15 mm,保溫時間<3 h時，Q235基體上形成纖維狀結(jié)構(gòu)的合金層，其表面耐蝕性較好，45鋼和T8鋼基體上形成錐形柱狀晶結(jié)構(gòu)的合金層，表面耐蝕性較差。

蘇永安等[15-17]研究了雙輝技術(shù)鎢鉬共滲鋸條滲層組織和其滲碳、淬火回火后組織受固溶處理的影響。測定了經(jīng)過固溶處理后鋸條的鋸切性能，結(jié)果顯示,固溶處理能消除鎢鉬滲層中的粗大脫溶相，夠改善滲層的韌性，鋸條的鋸切性也大幅度提高。

張旭等[18]采用雙輝技術(shù)在工業(yè)純鐵的基體上進(jìn)行鎳、鉻、鉬、鈮多元共滲，采用二次正交回歸法研究了工藝參數(shù)對多元共滲的影響：工藝參數(shù)與滲層表面合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)w和滲層厚度d之間有明確的對應(yīng)關(guān)系，能建立兩者之間的數(shù)學(xué)模型來確定它們之間的影響。

王從曾等[19]采用雙輝技術(shù)在20鋼表面進(jìn)行了鎢、鉬共滲，分析了滲金屬過程中的重要工藝參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn),源極表面放電功率是影響深層質(zhì)量的主要因素。

李莉平等[20]采用六種不同滲入順序在20鋼表面進(jìn)行雙輝碳、氮、鈦共滲。結(jié)果表明,元素滲入順序?qū)B層影響很大。氮、碳、鎳和鎳、碳、氮兩種方案下，可形成與基體良好結(jié)合的滲層，其硬度超過2 100 HV，耐磨性提高8倍以上。

張艷梅等[21]采用雙輝技術(shù)在工業(yè)純鐵的基體上進(jìn)行鎢、鉬、鈷多元共滲，研究了不同的合金元素濺射產(chǎn)額對源極濺射成分的影響，闡述多元共滲源極成分設(shè)計(jì)。結(jié)果表明,源極成分設(shè)計(jì)時可以忽略合金元素濺射產(chǎn)額的影響。

唐光輝等[22]采用雙輝技術(shù)在低碳鋼表面進(jìn)行不同溫度的滲鉻，然后測試不同工藝條件下獲得的滲鉻層的組成和硬度。研究發(fā)現(xiàn)，通過控制工藝參數(shù)能控制滲鉻層的組成，表層的含鉻量最高為39.49%，與基體相比，其硬度提高和固溶強(qiáng)化效果都不明顯。

卜根濤等[23]采用脈沖電源在低碳鋼基體上進(jìn)行雙輝滲鈦，滲層達(dá)到200 μm以上，與基體之間有明顯的擴(kuò)散分界線。滲層厚度和鈦含量隨著電壓的升高先增加后減少，550 V時達(dá)到峰值；二者隨著時間的增長和溫度的升高而增加。

徐江等[24]采用雙輝技術(shù)在20鋼表面通過Hastelloy C-2000進(jìn)行鎳、鉻、鉬共滲，同時將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和算法應(yīng)用于雙輝技術(shù)的工藝研究中，在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的基礎(chǔ)上建立了雙輝技術(shù)工藝與滲層成分和元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、滲層厚度和吸收率之間的映射模型。

2.3鋼鐵的雙輝表面合金化

2.3.1 單元合金化

周樸等[25]采用雙輝技術(shù)在Q235鋼表面進(jìn)行滲鈮處理，形成了滲鈮合金層，然后研究了合金層在5% H2SO4水溶液中的腐蝕性。結(jié)果表明,得到的約25 μm厚的合金滲層，與基體結(jié)合牢固，其相對腐蝕速率是基體的1/15.49。

王從曾等[26]采用雙輝技術(shù)對工業(yè)純鐵進(jìn)行離子滲鎳，然后分析測試滲鎳合金層的組織結(jié)構(gòu)和性能。結(jié)果表明,形成的高鎳合金層中鐵-鎳奧氏體白亮層的抗腐蝕性能極強(qiáng)，4%的硝酸乙醇溶液不能將其細(xì)節(jié)腐蝕出來，解決了防護(hù)層剝落問題，加強(qiáng)了防護(hù)。

周樸等[27]采用雙輝技術(shù)對45鋼進(jìn)行滲鈮處理，結(jié)果表明,滲鈮層與基體結(jié)合牢固，鈮的滲入使45鋼基體的耐磨性大大提高。

顧雪冬等[28-30]采用雙輝技術(shù)在45鋼基體上滲鋁，在其表面形成改性層。形成的具有優(yōu)良耐磨性、抗氧化性和耐腐蝕性能的鐵鋁金屬間化合物(FeAl、Fe3Al)大大提高了基體表面耐蝕性。

2.3.2 二元合金化

朱曉林等[31-32]采用雙輝技術(shù)在Q235鋼表面制備鎳-鉻合金層，然后進(jìn)行電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)。結(jié)果表明，Q235鋼表面形成的均勻致密，無孔洞裂紋等缺陷的合金層在3.5% NaCl溶液和0.5% H2SO4溶液中的腐蝕速率分別相對減少2.35倍和1.3倍，且冷軋加工對試樣的耐蝕性沒有不利影響。

范本惠等[33-34]采用雙輝技術(shù)在Q235鋼表面進(jìn)行鎳-鉻共滲，采用T法、X法、點(diǎn)蝕電位等方法進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)。結(jié)果表明,鎳-鉻合金層的主要耐蝕指標(biāo)達(dá)到和超過了2Cr13,1Cr18Ni9Ti等不銹鋼。

賀志勇等[35]采用雙輝技術(shù)對鑄鐵進(jìn)行鎢-鉬，鎳-鉻共滲，在其表面形成合金層。然后進(jìn)行耐磨性和耐蝕性測試，結(jié)果表明,碳化物形成元素鎢鉬的滲入使基體的耐磨性提高了一倍以上，鎳鉻的滲入使基體在H2SO4溶液中的耐蝕性明顯得到增強(qiáng)。

劉燕萍等[36]采用雙輝技術(shù)復(fù)合鍍+PVD在20鋼表面制備TiN復(fù)合滲鍍層，然后進(jìn)行耐蝕性能試驗(yàn)。結(jié)果表明,厚度為10 μm以上的TiN滲鍍層均勻、致密且與基體結(jié)合良好，在10% H2SO4和3.5% NaCl溶液中的腐蝕速率分別是0.156 g/(m2·h)和0.025 g/(m2·h)，耐蝕性能優(yōu)異。

卜根濤等[37]采用等離子滲鈦離子氮化處理碳鋼，然后在1 mol/L的HNO3溶液中進(jìn)行耐酸性腐蝕試驗(yàn)。結(jié)果表明,滲鈦試樣、滲鈦離子氮化試樣的耐蝕性分別比基體提高7.44倍和4.45倍，滲鈦離子氮化后TiN的析出影響了碳鋼的耐蝕性，表現(xiàn)為晶間腐蝕。

唐賓等[38-39]采用雙輝技術(shù)在20鋼、低碳鋼表面進(jìn)行鎢-鉬共滲，之后進(jìn)行滲碳，然后再進(jìn)行淬火和回火。結(jié)果表明,滲碳結(jié)束后表面形成了高速鋼組織，淬火回火后的表面高速鋼組織硬度和紅硬性達(dá)到了M2高速鋼的水平。

李莉平等[40]采用雙輝技術(shù)配以設(shè)計(jì)獨(dú)特的源極結(jié)構(gòu)在20鋼表面進(jìn)行鈦、碳共滲，分析了滲鍍層的組織結(jié)構(gòu)和硬度等。滲層主要由結(jié)構(gòu)致密且與基體結(jié)合良好的TiC陶瓷相構(gòu)成，表面硬度高于基體10倍以上。

高原等[41-42]采用雙輝技術(shù)在Q235、20鋼表面進(jìn)行滲鉻，然后進(jìn)行等離子滲碳形成表面合金層。形成的改性層中鉻碳化物彌散、細(xì)小、均勻，為高鉻高碳合金層,經(jīng)淬火、回火后表面硬度達(dá)1 800 HV，其耐磨性比淬火GCr15高8倍以上。

萬軼等[43-45]采用織構(gòu)化+雙輝技術(shù)對45鋼進(jìn)行表面復(fù)合處理，形成約為20～30 μm厚的滲鉻/鉬合金層。結(jié)果表明,表面為織構(gòu)化和合金化結(jié)合，在貧油/干摩擦條件下，獲得了較低的摩擦因數(shù)以及良好的耐磨性。

劉燕萍等[46-47]采用界面擴(kuò)散、空心陰極效應(yīng)和等離子體輝光放電濺射聯(lián)合工藝，在鋼鐵基體上形成多層TiN共滲合金層。它包含沉積層和擴(kuò)散層，TiN共滲多層陶瓷化合金層的耐磨性極好，在干滑動條件下的摩擦因數(shù)很低，基體具有強(qiáng)的界面粘附性。

徐晉勇等[48]采用雙輝技術(shù)+超飽和滲碳復(fù)合處理在Q235鋼表面滲鉻，形成高鉻高碳表面合金層，然后進(jìn)行淬火+低溫回火熱處理。結(jié)果表明,碳化物合金層，表面硬度達(dá)到1 200 HV，相對耐磨性是Q235滲碳淬火試樣的1.83倍。

徐晉勇等[49-51]采用雙輝技術(shù)在Q235鋼試樣進(jìn)行鉬-鉻共滲，然后再進(jìn)行滲碳、淬火、回火和深冷等復(fù)合處理，在Q235鋼試樣表面形成強(qiáng)化層,同時通過磨損試驗(yàn)研究強(qiáng)化層的耐磨性。結(jié)果顯示,滲碳、淬火及回火后100 μm以上厚度的鉬-鉻共滲層的耐磨性是GCr15鋼的2.25倍，深冷處理明顯提高了試樣的耐磨性。

鄭英等[52]采用雙輝技術(shù)+離子氮化對退火態(tài)的T10工具鋼進(jìn)行復(fù)合處理，研究了其560 ℃表面滲鍍鉻的硬化。研究發(fā)現(xiàn),連續(xù)、致密的滲層由沉積層和擴(kuò)散層組成，且與基體結(jié)合良好，表面硬度能達(dá)到1 000 HV以上，硬度由外到內(nèi)逐步降低。

2.3.3 多元合金化

李冰等[53-54]利用雙輝技術(shù)在Q235鋼表面形成釔-鎢鉬共滲合金層。研究了釔共滲對鎢鉬擴(kuò)散行為的影響。發(fā)現(xiàn)共滲層組織為柱狀晶，由鐵鉬化合物、鐵釔化合物以及鎢鉬釔的α-Fe固溶體等相組成。稀土(釔)對鉬原子具有催滲作用，而且滲層的表面硬度和耐磨性也相應(yīng)提高。

王從曾等[55]采用雙輝技術(shù)在45鋼表面進(jìn)行鎢、鉬、鈦離子三元共滲，然后進(jìn)行滲碳、淬火、回火處理，然后測試分析合金層的結(jié)構(gòu)和性能。結(jié)果表明，鎢、鉬、鈦共滲結(jié)束后形成了鐵素體組織，淬火、回火后得到回火馬氏體和均勻細(xì)小的粒狀碳化物組織，合金滲層硬度和紅硬性都很高。

張艷梅等[56]采用雙輝技術(shù)在T8鋼基體上進(jìn)行鎢-鉬-鈷多元共滲，研究了表面合金層的組織結(jié)構(gòu)和性能。結(jié)果表明,M6C+ MC型碳化物層和鎢、鉬、鈷固溶體擴(kuò)散層共同組成合金層，兩種不同結(jié)構(gòu)的合金層固溶時效處理后，硬度能分別達(dá)到1 400～1 600 HV0.025和800～1 000 HV0.025，碳化物層與基體之間為牢固的冶金結(jié)合。

吳宏觀等[57]利用雙層輝技術(shù)，在Q235鋼表面分別進(jìn)行鎢鉬釔共滲和鎢鉬共滲，然后進(jìn)行不同溫度下滲碳及淬火+200 ℃低溫回火1 h,1 020 ℃滲碳及淬火+不同溫度的回火1 h兩種工藝。鎢鉬釔合金層在500 ℃回火時，出現(xiàn)“二次硬化”,回火硬度達(dá)到峰值。稀土釔元素的加入，提高了滲層的表面硬度、回火硬度及紅硬性。

隗曉云等[58]采用雙輝技術(shù)在Q235鋼表面形成了TiN滲層，然后在其表面沉積TiB2薄膜，形成了TiN/TiB2多元滲層。結(jié)果表明,均勻、致密的多元滲層與基體結(jié)合良好，顯著提高了Q235鋼的表面硬度和耐磨性。

徐江等[59-60]對20鋼進(jìn)行電刷鍍+雙輝技術(shù)(鎳-鉻-鈷-銅多元共滲)進(jìn)行復(fù)合處理，然后在5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)HCl溶液中進(jìn)行電化學(xué)耐蝕性測試。結(jié)果表明,在5% HCl溶液中復(fù)合滲層耐蝕性接近Hastelloy C-2000合金的，明顯優(yōu)于Cr18Ni9不銹鋼的耐蝕性。

3　結(jié)束語

鋼鐵材料礦藏豐富、價格便宜、加工工藝簡單，同時又具有較好的綜合力學(xué)性能，已成為工程中應(yīng)用最廣泛的金屬結(jié)構(gòu)材料。采用恰當(dāng)?shù)谋砻婕夹g(shù)，在鋼鐵材料表面形成一層具有全新化學(xué)成分或組織結(jié)構(gòu)的保護(hù)層，可提高其硬度和耐磨性、耐蝕性，延長其使用壽命，既能滿足服役條件的要求，又能將生產(chǎn)成本控制在一個比較經(jīng)濟(jì)的范圍內(nèi)。采用雙輝技術(shù)對鋼鐵進(jìn)行表面改性，滲入恰當(dāng)?shù)暮辖鹪?通過表面改性層的物理阻擋和良好的化學(xué)穩(wěn)定性提高鋼鐵的耐蝕性；或通過細(xì)化晶粒、固熔強(qiáng)化，改變表層金屬的組織結(jié)構(gòu)，提高表面硬度、強(qiáng)度、韌性，改善耐磨性，從而獲得較為理想的表面防護(hù)。鑒于雙輝技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢和積極效果，深入開展雙輝技術(shù)的理論和應(yīng)用方面的研究是十分必要的。

(1) 納米材料結(jié)構(gòu)特殊、性能優(yōu)異，可以考慮利用雙輝技術(shù)，在鋼鐵表面制備納米結(jié)構(gòu)的改性層，同時提高鋼鐵的硬度、耐磨性、耐蝕性和高溫抗氧化性能，并賦予鋼鐵表面新的功能。

(2) 表面復(fù)合處理通常表現(xiàn)出“1+1>2”的效果，采用雙輝技術(shù)與其它表面技術(shù)的復(fù)合應(yīng)用，如：表面織構(gòu)化+雙輝技術(shù)，熱噴涂/電鍍/化學(xué)鍍+雙輝技術(shù)，表面納米化+雙輝技術(shù)等都將有效地提高鋼鐵的表面性能。

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Review on the Applications of Double Glow Plasma Surface Alloying for Improving Corrosion Resistance and Wear Resistance of Iron and Steel

XIE Rui-zhen1, ZHOU Hong-wei2, ZOU Jiao-juan1, LIN Nai-ming1

(1. Research Institute of Surface Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China;2. No. 52 Institute of China Ordance Industries Group, Baotou 014034, China)

Double glow plasma surface alloying (DGPSA) is an effective surface modification method to improve the surface properties of iron and steel materials. The technological principle and processing research of DGPSA are introduced. The research status of the applications of DGPSA for improving corrosion resistance and wear resistance of iron and steel is reviewed.

double glow; surface alloying; iron and steel; property

2014-11-24

中國博士后科學(xué)基金(2012M520604)； 山西省青年科技研究基金(2013021013-2)

林乃明(1981-),講師,博士,從事材料表面工程方面研究,0351-6010540,linnaiming@tyut.edu.cn

10.11973/fsyfh-201512014

TG174

A

1005-748X(2015)12-1174-06