高速钢刀具硫氧碳氮硼多元共渗(DYGS)层的成分、组织、结构与性能

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1982.s1.007 北京解铁学院学报 1982年增刊2 高速钢刀具疏氧碳氨硼多元共渗(DYGS) 层的成分、组织、结构与性能 北京钢铁学院金相教研室 关卓明 徐恒钧刘国勋 店山齿轮厂 彭述荣 高速钢刀具的服役条件是极为苛刻的，其切削刃附近和工件的相对摩擦速度与摩擦焊的 摩擦速度(16一50米/分)大致相当，而前刀面上切削刃附近的压力应为摩擦焊压力(45一70 N/mm)的5一10倍C1),因此，粘着磨损是高速钢刀具常见的失效形式。此外，与一切刀 具一样，机械磨损与崩刃也常导致刀具失效。 根据现代粘着磨损理论，摩擦系数μ正比于剪切强度τ，反比于流变应力·，（即μ=T/o,) 〔2)，若用化学热处理方法使刀具表面生成一层与被切削金属的结构有显著差异的薄膜（例 如非金属)，若此膜的τ低，易滑动，且其衬底层又有高硬度，将会使μ大为降低，有效地降 低粘着磨损率。提高衬底层的硬度也有利于减少刀具的机械磨损。但硬化会带来脆化，因 此，一个优良的化学热处理工艺应在刀具表面形成低脆性的抗粘结层与硬化层的多层组织， 这是高速钢刀具热处理组织设计应依循的原则。 本文所讨论的DYGS工艺是低温滴注式气体硫氧碳氮硼多元共渗工艺。这类工艺是按上 述原则设计的，能有成效地同时满足抗粘结、硬化与低脆性三方面的性能要求，而且该工艺 还有使用设备简单，操作简易、表面质量乌黑美观等优点。 众所周知，高温，(800~1000℃)渗硼能使另件获得极优异的抗粘着磨损性能〔3)，但低 温渗硼还未见有成效的报导，本文应用现代分析技术，系统地研究了高速钢(W18Cr4V)D YGS渗层的成分、组织、结构与性能，证实了DYGS工艺可在低温下(540一560℃)实现硼 与氧硫碳氮共渗，硼酸添加剂对性能有良好的作用，从而揭示了DYGS工艺在本质上区别于 60年代发展起来的疏氰共渗工艺，因而是一种有独创性的、效果显著的，经济的低温化学热 处理工艺。 DYGS工艺特点 高速钢DYGS处理是在淬火、回火后进行。处理温度同回火温度(540一560℃)。共渗 可采用一般的井式马弗炉。渗剂以甲酰胺(HCONH,)与无水乙醇(C2H5OH)为溶剂， 再溶入适量的含硫添加剂与硼酸(H,BO,)。共渗时间依刀具而异，一般选用1~3小时能获 得满意的效果。 -60-

北 京 钥 铁 学 院 学 报 年 幼刊 高速钢刀具硫氧碳氮硼多元共渗 层的成分 、 组织 、 结构与性能 北 京钢 铁 学院 金 相 教 研 室 唐 山 齿轮厂 关 率 明 徐 恒 钧 刘 国 勋 彭 述 荣 高速钢 刀具的服役条件是极为苛刻的 ， 其切 削刃附近和工件的 相对摩擦速度与摩擦焊 的 摩擦速度 一 米 分 大致相 当 ， 而前刀 面上切 削刃附近 的压 力应 为摩擦焊压 力 一 艺 的 一 倍〔 〕 ， 因此 ， 粘 着磨损是高速钢刀具常 见的 失效形 式 。 此外 ， 与一切 刀 具一样 ， 机械磨 损 与崩刃 也常导致 刀具 失效 。 根据现代粘着磨损理论 ， 摩擦系数卜正 比于剪切 强度 ， 反比于流变应力 即卜 二 叮。 〔 〕 ， 若用 化学热处理方法使 刀具表 面生成一层与被切削金属 的结构有显 著差 异的薄膜 例 如非金属 ， 若此膜 的 低 ， 易滑动 ， 且其衬底层又 有高硬度 ， 将会使卜大为降低 ， 有效 地降 低粘着磨 损率 。 提高衬底 层的硬 度也 有利于减少刀具 的机械 磨 损 。 但硬 化会带 来脆化 ， 因 此 ， 一个优良的化学 热处理工艺应在刀具表面形成低脆性的抗粘结 层 与硬化层的 多层组织 ， 这是高速钢 刀具 热处理组织 设 计应依 循的原则 。 本文所讨论 的 工艺是低温滴注式气体硫氧碳氮硼 多元 共渗 工艺 。 这类工艺是按上 述 原则设计的 ， 能有成 效地同时满 足抗粘结 、 硬化与低脆性三方面的性能要求 ， 而且该工艺 还 有使用设 备简单 ， 操作简易 、 表 面质量乌黑 美观等优点 。 众所周知 ， 高温 ， 。 。 。 ℃ 渗 硼 能使 另件获 得极优异 的抗粘 着磨 损性 能〔 〕 ， 但低 温渗硼还 未 见有成效的报导 ， 本文应用现 代分析技术 ， 系统 地研究 了 高速钢 渗层的成分 、 组织 、 结构与性能 ， 证 实了 工艺可在低温 下 。 一 ℃ 实现 硼 与氧硫碳氮 共渗 ， 硼 酸添 加剂对 性能 有 良好的 作用 ， 从而揭示 了 工艺在本质 上区别于 年代发展起 来的硫氛共渗 工艺 ， 因而 是 一种 有独创性的 、 效果 显著的 ， 经 济的低温化学热 处理工艺 。 一 、 工 艺特点 高速钢 处理是在淬火 、 回 火后进行 。 处理温 度 同回 火温 度 一 ℃ 。 共渗 可采用 一般的井 式马弗炉 。 渗剂 以 甲酞胺 与无水 乙醇 为溶 剂 ， 再溶 人适量的 含硫添 加剂 与硼 酸 。 。 共渗时 间依 刀具而 异 ， 一般选 用 一 小时 能获 得满意的效果 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1982．s1．007

二、DYGS渗层的成分、组织与结构 W18Cr4V高速钢DYGS渗层的金相组织如图1所示，图1一a是经4%硝酸酒精浸蚀后显 示的组织，图1一b是浸蚀前的情况。渗层分为四层，前三层属化合物层，第四层为扩散层。 用电子探针分析了碳、氧、硫、氮、钨、铁等元素沿层深的分布，结果如图2所示。分 析结果指出：共渗处理后碳、氮、硫、氧各元素在表面的浓度大大地提高了，其中碳与氨的 渗入较深。钢中的合金元素钨在试样靠表面处也有富集现象。 图1)YCS处理3小时后的藩层金相组织，×800， 1.4%硝酸西精浸蚀，b.未没蚀 采用辉光放也发射光谱技术逐层地测定渗层 中丽的含址，实验证实：在试样表面化合物层内 （1一3μm)有较高硼含量，经三小时处理表面 硼含量峰值可达1%，化合物层中硼的分布曲线 如图3所示。经小时共渗，硼量峰值也可达到 0.25%。为了进一步查明在扩散层内硼的渗入情 况，应用了高灵敏度的硼的径迹显微述〔4)，图 4一a与图4一b分别是光学显微镜的明场与暗场 象，可以看到，除了在试样的最表面处有硼浓集 图2DYGS3小时后高速钢沿善入深度C, 外，在扩散层内(13~20μm内)还有硼富集的 O,S.Fa,Cr,w,N,的分布 痕迹，在这里“硼点”分布比较均匀、是固溶态 (电子探针親扫描结果) 的特征。 DYGS渗层与氧碳氮三元共渗（渗剂中没有加入硫、硼添加剂）层组织的主要区别是： -61-

二 、 渗层的成分 、 组 织 与结构 高速钢 渗 层的 金 相组 织 如 图 所示 ， 图 一 是经 硝酸 酒精浸蚀后 显 示 的组织 ， 图 一 是 浸蚀前 的情况 。 渗 层分 为四 层 ， 前三 层属 化合物坛 ， 第四 层 为扩 散层 。 用 电子 探 针分析 了碳 、 氧 、 硫 、 氮 、 钨 、 铁 等元 素沿 层深 的分布 ， 结 果 如 图 所 示 。 分 析结 果指出 共渗 处 理后碳 、 氮 、 硫 、 氧各 元 素在表 面的 浓 度大 大地提 高 了 ， 其 中碳 与氮的 按入较深 。 钢 中的合金 元 素钨 在试样靠表 面处也 有富集现 象 。 砚 佃 ’ 处 理 小时 后 的诊 层 金 相 组 织 肠 硝 酸 洒 精 浸 蚀 ， 未 浸 蚀 采 辉 光放 电发 射 光谱 技术逐 层 地测 定渗 层 中 硼 的 含 论 ， 实 验 证 实 在 试 样表 面化合物层 内 一 卜 有 较 高硼 含 量 ， 经三 小时 处理 表 面 硼含量 峰 值 可达 ， 化合物层 中硼 的分 布 曲线 如 图 所 示 。 经 一小时 共渗 ， 硼 量峰 他也 可达 到 。 为 了进 一步 查 明在扩 散层 内硼 的渗 入情 况 ， 应 了 高灵 敏 度 的硼 的径 迹 显微 述 〔们 ， 图 一 与 图 一 分别 是 光学 显微 镜 的 明场 与暗场 象 ， 可 以看到 ， 除 了在试 样的最表 面处有硼 浓 集 外 ， 在扩 散 层 内 林 内 还 有硼 富 集 的 ‘‘﹄， 图 小 时 后 高速 钢 沿 今 入 深 度 ， ， ， ， ， ， 的 分 布 痕迹 ， 在 这里 “ 硼 点 ” 分 布 比 较 均匀 、 呈 固溶 态 的特征 。 渗 层 与氧碳氮三元 共渗 渗 剂 中没 有加 入硫 、 电子 探 针 线扫 描 结果 硼 添 加 剂 层组织 的主 要区别是

B W% ● B ▲W 82 0.6 18 0.5 16 0.4 t t 0.3 12 0.2 8 01 6810121416182022212628μm) 至表面距离 图3DYGS处理3小时后薄，鸽元素沿渗层深度的分布 (辉光放电发射光谱的结果) 除了都有马氏体、FegW,C、VC、Cr,Cs、e-FeaN、 FeaO,等各相外，还增加FeS与Fe;BO两个相，这 0 些结构分析结果是应用APD一10X光分析仪对渗层的 图4用径迹显微术显示在DYGS 平板试样进行分析得到的，所得衍射谱如图5所示。 (3小时)涉层中的分布×350， a,明场象，b.暗象 X光在钢铁中一般透入深度可达十几个微米，故图 5的谱线不仅仅是第一层组织所提供的。为了弄请各相在四层中的分布，仔细磨制了各层分 别暴露在表面的平板试样，在相同试验条件下记录下各试样的X光衍射谱线，通过各相特征 线强度随层次的变化判断各相的分布。又考虑到不同相的X光行射线条可能重叠，或山于弥散 相衍射线条强度漫散，单只用X光分析方法鉴别复杂的渗层结构，可能会引起分析钻误或 D Y G 5 0-C-9 F30 0 FeaN ☒ Feac A F,5 ☒ ◇ Marttasiu F:3WC 8 ■ ■ ◆ 图5 X射线衍射谱，Ca肥，石量单色，3.DYGS处理3小时，b.O,C,N共1小时 -62-

口 、 二口口口口口口 门 门门门 日 口口日 奋 门 口 口 气 口巴 吓口 压 一百 一 曰‘ 二二‘ 」 ‘ 亡巴竺二亡二二石 ， 神 叫卜口，门曰曰厂 下「 月 门门门 日日 口 曰 门 日「 门 习 门 口 口口 二 习 口陌」口口口口口口口口 习口口 云魏孤 丫 班妙拼 少怡竹介书诊纷 ‘ 韶 至衰面 距 离 图 处 理 小 时 后 翻 ， 鸽 元 素 沿 诊 层 深 度 的分 布 辉 光放 电发 射光 谱 的结果 除 都有马 氏体 、 。 、 、 ， 、 一 、 。 ‘ 等 各相外 ， 还 增加 与 。 两个 相 ， 这 些结构分 析结果 是 应用 一 光分析仪对 渗 层 的 平板试样进行分析得到 的 ， 所 得衍 射谱 如 图 所示 。 光在钢铁 中一般透 入深 度可达 十几 个微 米 ， 故 图 图 用 径 迹 显 徽 术 显 示 翻 在 、 小时 诊层 中 的分 布 ， 明场 象 ， 暗 象 的谱 线 不仅仅是 第一层组织所提供 的 。 为 了弄 清各 相在 四层 中的分 布 ， 仔细磨制 了各 层分 别 暴露 在表面的平板试 样 ， 在 相 同试验 条件下记 录下各 试 样的 光衍 射谱 线 ， 通 过各 相 特征 线 强度随 层次的变 化判断各 相的分布 。 又 考虑 到 不 同相的 光行射线 条可 能重叠 ， 或 山于弥 散 相衍 射线 条 强度漫散 ， 单 只用 光分 析方 法 鉴别 复杂 的渗 层结构 ， 可 能 会引起 分 析 错 误 或 二 ‘ ‘ 。 一 一 、 ▲今因令△口 △卜 国‘口 ， 心， ‘ 抽 ， 一 ， ， ， ， ， 因 口 口 仓 习 划 、儿 。 ，令 ， 八 曰 △ 几 苗 一 ‘ ， 岁 一“ 一 一 一 一 一 石 一 一 一 一 一 一 芬 图 射 线 衍 射谱 ， 通 把 ， 石 旦 单 色 ， 处理 小 时 ， ， 共诊 小 时 一 一

漏检，为了避免这些缺点，配合采用了微区能谱与选区电子衍射分析技术，综合各种分析结 果，各层的组织与结构可描述如下： 第一层：黑色、疏松，是由Fe,O4、Fe,BO,与FeS等相组成，各组成相都非常精细，这层 约有1-3μm厚。 第二层：致密，由FeO.灰色基体与e一FeaN白色小块组成，约1一3μm厚。e一FcgN 略呈灰色，可能于其上有精细FeS有关。 第三层：极薄(<lμm),色黑，不浸蚀也能见到，这是含有大量精细的Fe,W,C、 Cv,C3、Fe3C等碳化物的氧化物层。图6一a为这层的碳复型萃取电镜照片，氧化物在试样浸 蚀时已被溶掉，苹取物经电子衍射分析得知：小球状物为F,W,C(见图6一b),而羽毛状组 织是Fe,C与Cr,C,的混合组织（见 图6一c与6一d)。 第四层为扩散层，图7一a为这一层 的萃取碳复型电镜照片，其中大量的弥 散沉淀物经微区能谱分析指出富含W与 Cr（见图7一b),电子衍射分析得知为 (Cr、W)N结构（见图7一e)。大量 弥散析出的(Cr、W)N相可能是扩散 层获得高硬度与高红硬性的主要强化 相。 三、 DYGS渗层的性能 切削对比实验证实〔5)：无论在实 验革条件下还是现场：产条件下，经 图6第三层举取复型电镜照片(×10000)与电子衎射图谱 DYGS处理后的高速钢刀片都可提高 耐用度1~2倍，且随着切削速度的适当增长，切削性能上的优势也越明显。图8给出在实验 室条件下切削试验所得的耐用度T一切速V曲线，相应VT=C中指数m与常数C值及平 图7a.第四层萃取复型电镜服片(100000×)b.苯取物撤区能暗C.苯取物的电子稻射谱 63

漏检 ， 为 了避 免这 些缺点 ， 配合采 用 了微 区 能谱 与选 区 电子 衍 射分 析技 术 ， 综 合各种分 析结 果 ， 各 层的组织 与结 构可 描述 如下 第一层 黑 色 、 疏松 ， 是 由 ‘ 、 。 与 等 相组成 ， 各组 成 相都非常精细 ， 这 层 约 有 一 林 厚 。 第 二 层 致 密 ， 由 ‘ 灰色基体 与。 一 自色 小块组 成 ， 约 一 协 厚 。 。 一 略 呈灰 色 ， 可 能于 其上 有精细 有 关 。 第三 层 极薄 件 ， 色黑 ， 不浸 蚀 也 能 见 到 ， 这是 含 有 大 量 精 细 的 、 ， 、 等 碳化物的氧化物层 。 图 一 为这 层 的碳 复型 萃取电镜照 片 ， 氧 化物在 试 样浸 蚀时 已被溶掉 ，萃取物经 电子 衍射分析得 知 小球状物 为 见图 一 ， 而羽 毛状组 织 是 与 ， 的混 合 组 织 见 图 一 与 一 。 第四层 为扩 散层 ， 图 一 为这 一层 的萃取碳 复型 电镜照片 ， 其 中大量 的弥 散沉淀物经微 区 能谱分 析指 出富 含 与 见图 一 ， 电子 衍 射分 析 得 知 为 、 结 构 见图 一 。 大最 弥 散析出的 、 相可 能是扩 散 层获 得 高硬 度 与高红 硬 性的 主 要 强 化 相 。 三 、 渗层 的性能 田 第 三 从 萃 取 复 型 电 镜 照 片 咱 与 电子 衍 射 图 潜 切 削对 比实验 证 实 〔 〕 无论 在实 验 室 条 件下还是 现 场 生 产条 件下 ， 经 处理后 的 高速钢 刀 片 都 可 提 高 耐用 度 倍 ， 且随着切 削速度的适 当增长 ， 切 削性能上 的优势也越 明显 。 图 给 出在实验 室条件下切削试验 所得的耐用 度 － 切速 曲线 ， 相应 二 中指数 与常 数 值及 平 图 第 四 层 萃 取 复 型 电镜 照 片 萃 取物徽 区 能 盛 苹取 物 的 电子 招 射

均耐用度增长倍数一並在表1中列出。 表2是由几个使用厂提供的部分刀具耐 用度对比试验结果。 6 耐用度是评定刀具质量的综合指 5 标，耐用度的提高是与下述的抗粘着 性、红硬性与渗层韧性的改善有关。 1、抗粘着磨损试验： 抗粘着磨损试验在Falex试验机 91015 70T00 304050 上进行，试样由一对V型块与一个转动 切耐速度V(米/分) 切制速度V(朱/分)切剂速度V(米/分) 轴组成，通过棘轮机构给V型块施加並 图8DYGS处理（▲）与未处理(·)两种刀片的T一V曲线， 维持负荷，转动轴用正火AISI3135钢 切削实验按503685一1977(E)进行，磨纯标准， VB=0.30mm,深切t=1mm,送进量S=0.08m (HRB87一91)制造，不经任何化学热 m/转， 处理，光洁度为口9。为了对比不同处 a,被切材料为31598镶蕃耐热合金，5%一10%乳化液冷却， b,被切材料为18 Crmn'Ti,5%一10%乳化液冷却， 理对性能的影响，V型块用W18Cr4V C,被切材料为50中碳钢，未加冷却液， 钢制造，淬火、回火，后经不同渗剂共 渗处理，并精磨到口8。机器从零自动加负荷到182公斤，停留三分钟后测定摩擦力矩，用以计 算摩擦系数。三分钟后，又自动加荷到发生咬卡为止。实验过程中V型块与转动轴浸没在无 任何添加剂的HC一11柴油机基础油中。 表1 VTm=C公式中的m、C值及经DYGS处理后刀片耐用度平均增长倍数 切 削 用 量 指数m 常数C 处理后刀 被切材料 冷却条件 片耐用度 t(mm) S(mm 均增长 /转) (米/分) 已处理未处理已处理未处理 倍 数 3H598, HRC31-33 1 0.08 9一12 5%一10% 乳化液 0.13 0.10 14.7912.39 1 18CrMnTi, HB140 1 0.08 82-100 5%一10% 乳化液 0.36 0.17 183.23104.71 2 50碳钢， HRC20 0.08 44—50 无冷却液 0.22 0.21 56.7554.2 1.5 表3列出粘着磨损实验结果。结果表明：未经任何化学热处理淬火、回火状态的高速钢 试样的抗粘着性最差，仅加荷到182公斤二分钟后即出现咬卡现象。经DYGS处理后抗咬卡 负荷升高到1030公斤，比处理前提高了4倍多。 2、渗腰的硬度与红硬性： 最表面的疏松层硬度只有HV0.1500~600,致密层硬度为HV0.1900一940，扩散层的硬度 分布如图9所示，硬度峰值出现在距表面约0.02毫米处，经正常加热淬火(HRC>63)后， 这峰值硬度可达HV0.11100~1200。 红硬性用600℃加热一小时的室温硬度来衡量，红硬性沿层深分布见图9，峰值约为 HV0.1760一790，比不共渗处理一般可提高~25%。 -64一

口口泣〕 口旧门 ‘ 口囚口 习 曰【二二口 － 一 口口「二 口口【 〔 日压二 口口旧口日田 门 门 目甲研一 月 门 洲 ， 门 口而爪 日用 氏 切 肖弓速度 米 分 切 削速 度 米 分 切 削这度 米 分 图 处 理 ▲ 与未处 理 · 两 种刀 片 的 一 曲线 ， 切 削实脸 按 一 进 行 ， 磨 饨标准 二 ， 深切 ， ， 送 进 转 ， 被 切材 料 为 镶基 耐 热合金 ， 肠一 帕乳 化 液 冷却 ， 被 切材料 为 ‘ ， 务一 肠乳 化 液 冷 却 ， ， 被 切材 料为 中破 钢 ， 未 加 冷却液 ， 均耐用 度增长倍数一笠在表 中列 出 。 表 是 由几个使用 厂提供 的部分刀具耐 用 度对比试验结果 。 耐用 度是评定刀具 质量 的 综 合 指 标 ， 耐用 度的提 高是 与下述 的 抗 粘 着 性 、 红 硬性与渗 层韧性的改善有关 。 、 抗粘 ，， 损试验 抗粘着磨 损试 验 在 试 验 机 上进行 ， 试样由一对 型块 与一个转动 轴组成 ， 通过棘轮机构给 型块施加业 维持负荷 ， 转动 轴用正火 钢 一 制 造 ， 不经任何化学 热 处理 ， 光洁度 为甲 。 为了对 比 不 同处 理对性能的影响 ， 型块用 钢制造 ， 淬火 、 回火 ， 后 经不 同渗剂共 卜味告一尺八甘似暇旧 卜今味决侧买宙 渗处理 ， 并精磨到甲 。 机器从零 自动加 负荷到 公斤 ， 停留三分钟后测定摩擦力矩 ， 用 以计 算摩擦系数 。 三分钟后 ， 又 自动加荷到 发生咬卡为止 。 实验过程 中 型块 与转动 轴 浸没 在无 任何添加剂 的 一 柴油机基础油 中 。 表 公式 中的 、 值及经 处理后刀 片耐用度平均增长倍数 切 削 用 量 冷却条件 已处理 未处理 转 失 分 自 目口占 ， 一 。 一 一 乳 化 液 ， 。 一 一 乳 化 液 ‘，土 曰八八 … 甘 口﹄ ’ 碳钢 ， 一 无冷却液 表 列出粘着磨损实验结果 。 结果表 明 未经任何化学 热处理淬火 、 回火状态的高速钢 试样的抗粘着性最差 ， 仅加荷到 公斤二分 钟后 即 出现咬卡现象 。 经 处理后抗咬卡 负荷升高到 公斤 ， 比处理前提 高了 倍 多 。 、 沙层 的硬 度与红硬性 最表面的疏松层硬 度只有 。 。 ， 致密层硬度为 一 ， 扩 散层的 硬 度 分布如 图 所示 ， 硬度峰值 出现在距表面约。 毫米处 ， 经正常加热淬火 后 ， 这峰值硬度可达 。 红硬性用扭 ℃ 加热 一小时的室温硬度来衡量 ， 红硬性沿 层深分 布见图 ， 峰 值 约 为 。一 。 ， 比 不共渗处理一般可提高 。 一 一