双层辉光离子渗成分离析及表面合金贫化

D0I:10.13374/i.issn1001053x.2001.06.014 第23卷第6期 北京科技大学学报 Vol.23 No.6 2001年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2001 双层辉光离子渗成分离析及表面合金贫化 徐江”谢锡善”徐重2) 1)北京科技大学材料科学与程学院，北京1000832)太原理工大学表面工程研究所，太原030024 摘要研究了在试样20钢上双层辉光离子渗Hastelloy C-2000合金过程中渗层出现的成分 离析以及表层N,C·合金元素贫化现象，并进行了一定的理论分析.认为表面合金贫化与工件 表面层离子轰击形成的畸变梯度及反溅射有关；成分离析是由于合金i,Cr,Mo的戴射特征不 同造成的 关键词双层辉光：多元合金；成分离析 分类号TG156 双层辉光离子渗金属技术最初致力于手用 间距20mm.渗金属后试样在扫描电镜下进行 锯条的研究)随着对该项技术认识的不断深 能谱分析，测定渗层中合金元素的含量 人，人们对该技术的基础研究范围不断扩大，例 如单元渗川W,Mo,Cr,Ti,等，二元或多元共渗a1 2试验结果 Cr-Ni,W-Mo,Cr-Ni-Mo等.近年来，人们为将这 在渗Hastelloy C-2000合金试验中，由于此 项技术应用于高附加值的产品，而开展了一定 合金的熔点较低，因而要合理的控制源极电压、 的科学研究.张旭等对Inconele625合金为源极 工件电压和气压，以使源极的保温温度低于合 的多元共渗工艺及渗层性能进行了细致的研 金熔点的同时又能为工件提供合金源.本试验 究，取得了较为理想的结果.但是双层辉光离子 首次采用HastelloyC-2000合金，该合金主元为 多元共渗是一个非常复杂的问题.渗层的成分 Ni,Cr,Mo,与Inconel625合金相比，Mo含量高出 和质量不仅受宏观工艺参数的影响，而且各种 6%~8%,利用Mo元素与Ni,Cr元素溅射特性的 在源极溅射、表面沉积、等离子体传输和渗层扩 很大的区别，从而使得出现成分离析的几率大 散过程中各具不同特性，往往容易出现渗层合 大增加. 金元素比例与源极合金元素比例不同的现象即 图1为采用双层辉光离子渗金属技术在20 成分离析.本文首次以镍基耐蚀合金Hastelloy 钢基材表面形成的表面合金渗层成分沿深度方 C-2000合金作为合金元素供给源，固定源极电 向的分布曲线. 压，气压以及极间距等工艺参数，探讨了双层辉 80「 光离子渗金属过程中成分离析及表层合金元素 70A 贫化的原因，提出了控制这2种现象宏观.[艺 60 Mo 参数 50 40 1试验方案 30 渗金属试验在自制双辉离子渗金属炉中进 20 行，源极材料Hastelloy C-2000的成分（质量分 10e Cr 一 数%)为：Ni59,Mo16,Cr23,Cu1.6,C<0.01.基 0 5101520253035 体试样材料为20钢.C艺参数为气压20Pa,温 d/mm 度1000℃，源极电压12kV、工件电压750V、极 图120钢表面合金元豪沿渗层深度的变化 收稿日期200102-28徐汇男，28岁，博七生 Fig.1 Composition of alloyed element formed on the low *“863"高科技资助项目(No.715-0080050) carbon steel

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 毛犯 双层辉光离子渗成分离析及表面合金贫化 徐 江 ” 谢锡善 ” 徐 重 ， 北京科技大学材料科学 与 卜程学院 北京 太原理工大学表面工程研究所 ， 太原 摘 要 研究 了在试样 钢 上双层辉光离子渗 一 合金过程中渗层出现的成分 离析 以 及 表层 ， 合金元 素贫化现象 ， 并进行 了一 定 的理论分析 认 为表 面 合金 贫化与工件 表 面层 离子 轰 击形 成 的畸 变梯度 及 反 溅射有关 成分 离析是 由于 合金 ， ， 的溅射特 征 不 同造 成的 关扭词 双层 辉光 多元合金 成分离析 分 类号 双层辉光 离子 渗金 属 技 术最初 致 力于 手用 锯条的研究 ‘， ， ’ 随着对该项技术认识 的不 断深 人 ， 人们对该技术的基础研究范围不 断扩大 ， 例 如单元 渗‘，，， ， ， ， 等 ， 二元或 多元共渗 “ · ” ， 一 ， 一 一 。 等 近 年来 ， 人们为将这 项技术应用 于 高附加值的产 品 ， 而 开 展 了一定 的科学 研 究 张 旭 等 ，对 合金 为源 极 的 多 元 共 渗 工 艺及 渗层 性 能进 行 了 细 致 的 研 究 ， 取得 了较 为理想 的结 果 但是双层辉光离 子 多 元共 渗是 一 个 非 常 复 杂 的 问 题 渗层 的成分 和质 量 不 仅受宏观工 艺 参数 的影 响 ， 而且 各种 在 源 极溅射 、 表 面沉积 、 等离 子体传输 和 渗层扩 散过 程 中各具不 同特性 ， 往 往 容 易 出现 渗层 合 金元 素 比例 与源极 合金元 素比例不 同的现象即 成分离析 本 文首次 以镍基 耐蚀合金 一 合金作 为合金 元 素供给源 ， 固定源极 电 压 、 气压 以 及极 间距等工 艺参数 ， 探讨 了双层辉 光离 子渗 金 属 过 程 中成分离 析 及表层 合金 元素 贫化 的原 因 ， 提 出 了控 制这 种 现 象宏观 艺 参数 间距 渗金属 后 试样 在 扫描 电镜下 进 行 能谱分析 ， 测定渗层 中合金 元素的含量 试验结果 在渗 一 合金试验 中 ， 由于 此 合金的熔点较低 ， 因 而要合理的控制源极 电压 、 工 件 电压 和 气压 ， 以 使源 极 的保温温度低 于合 金熔点的 同时又 能为工 件提供合金 源 本试验 首次采用 一 合金 ， 该合金 主元为 ， ， ， 与 合金相 比 ， 含量高出 一 ， 利 用 。 元 素与 ， 元 素溅 射特性 的 很 大 的 区别 ， 从而 使得 出现成分离析 的几 率大 大增 加 图 为采用 双层辉光离 子渗 金 属 技术在 钢基材表面形成 的表面合金渗层成分沿深度方 向的分布曲线 ‘，八 试验方案 渗金 属 试验在 自制双 辉离子渗金 属炉 中进 行 ， 源极 材料 一 的成分 质量 分 数 为 ， ， ， ， 基 体 试样材料 为 钢 仁艺 参数为气压 ， 温 度 ℃ ， 源 极 电压 、 工 件 电压 、 极 收稿 日期 一 一 徐江 男 ， 岁 ， 博士 生 “ ” 高科技 资助 项 目〔 一 尸 声‘一习 升 留 圈 钢 衰 面合金 元 众 沿渗层 深 度 的变化 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2001．06．014

Vol.23 徐江等：双层辉光离子渗成分离析及表面合金贫化 ·533· 从图1中可以看出，源极材料NiCr-Mo元 辉渗W-M0中也有报道m图2为渗层组织的 素含量与渗层表面的Ni-Cr-Mo元素含量存在 SEM照片.图3为渗层Mo元素面扫描照片.图 着较大的不同：表面Mo含量高于70%，远高于 4为源极溅射24h后的表面形貌.图5为渗层的 源极Mo含量；而Ni,Cr元素含量又低于源极相 X射线衍射分析结果.表1为源极材料在溅射 应的含量，出现了成分离析现象.Ni,Cr两元素 过程中表面合金元素成分与时间的关系 沿渗层深度的方向出现了浓度峰，此现象在双 图220钢基材上渗层微观组织照片 图3渗层M0元素面扫描 图4 Hastelloy C-2000合金表面藏射 Fig.2 Microstructure of surface alloying Fig.3 Mo distribution on the surface 24h后的表面形貌 layer on zo steel layer Fig.4 Morphology alloying surface after 24h of sputtering 在离表面一定深度处存在浓度锋，而M0元素 100 基本成梯度分布.这种现象的产生应与离子溅 2 80 射有关.在双辉离子渗金属过程中，由于源极和 工件都作为辉光放电的阴极，在放电过程中，受 % 到等离子体中的Ar轰击.这种轰击有2个作用： 2 皇 (1)使源极可以有效提供合金元素，保证在 渗金属过程中，维持工件表面“金属势”的存在 20 g 品 2 (2)使工件加热到高温，同时使表面原子脱 0 离晶格节点而成为离位原子，继而引发联级碰 20 40 60 80 100 281() 撞，从而使工件表层产生大量的晶体缺陷和严 图5渗层X射线衍射结果 重的点阵变形；这种畸变形成的畸变梯度是由 Fig.5 XRD spectra of surface alloying layer on 20 steel 表层向内层减小，沿渗层以指数方式衰减.这种 表1源极溅射后白色和黑色区域Ni,Cr,Mo的含量 晶体缺陷有利于沉积到工件表面的合金元素的 Table 1 Composition of source cathode after sputtering 扩散. 时/h 区域 w/% Wa/% WMo/% 在离子渗金属过程中，由于工件表层有较 白色区域 63.12 6.94 26.69 高的温度和畸变梯度，使合金元素在工件表层 黑色区域 35.51 35.89 5.33 扩散，但是离子轰击造成的表层畸变梯度以及 白色区域 59.01 8.65 25.72 各个合金元素在表层的扩散系数不同，使得渗 黑色区域 62.05 25.65 7.65 层内的浓度梯度发生急剧变化，甚至出现析出 24 白色区域 25.05 9.14 61.49 相.另外，在工件电压较高的情况下，工件表面 黑色区域 70.46 9.74 8.03 的反溅射的作用，使刚刚沉积到工件表面的合 白色区域 25.03 9.03 60.77 金元素再次被溅射回工件周围等离子区.在上 黑色区域 71.38 9.54 7.84 述2种作用下使得渗层元素Ni,Cr出现表面贫 3 分析与讨论 化和浓度峰出现在表面以下的现象.而Mo元 素溅射率较Ni,Cr低，随着溅射的进行，在源极 从图1可以看出Ni,Cr在渗层表层贫化， 表面不断富积（见表1），因此在源极供给的合金

·534· 北京科技大学学报 2001年第6期 元素中的比例逐渐增大，当工件电压较高时，沉 4结论 积到工件表面的合金元素被再次溅射，Mo元素 在表面的合金含量进一步加大，所以M0元素 (1)在以20钢基上双辉渗HastelloyC-2000 没有形成表面贫化且在渗层中成梯度分布. 合金，渗层出现了严重的成分离析和Ni,Cr元素 图1表明：尽管Hastelloy C-2000合金中， 表面贫化现象. Mo元素质量分数只有16%，但是在渗层表面 (2)双层辉光离子渗HastelloyC-2000合金出 Mo元素却大于70%.此外，Ni,Cr元素质量分数 现的表面合金贫化与工件表层离子轰击形成的 也与C-2000合金存在较大差别.我们认为原因 畸变梯度以及反溅射有关. 主要有以下2个方面. (3)双层辉光离子渗HastelloyC-2000合金出 (1)从源极的合金成分变化来看，源极表面 现的成分离析现象是由于合金Ni,Cr,Mo的溅射 存在择优溅射现象.由于Ni,C,Mo溅射率不同， 特征不同造成的.源极表面存在择优溅射的同 溅射率较高N,Cr在渗金属开始阶段优先溅射， 时，本试验所选择的较高电压和较低的气压使 溅射率低的Mo被溅射的数量较少，因此在源 工件表层合金元素再次择优溅射，加重成分离 极表面较难溅射的元素Mo无论是含量还是在 析现象. 源极表面的所占面积分数逐渐增加.从图4及 参考文献 表1可以看到，在源极表面富Mo的白色区域逐 1徐重，王从曾，苏永安，等.离子海钨钼技术在手用钢 渐增加，富Ni,Cr黑色区域不断减小.这时Mo 锯条上.的应用.金属热处理，1988(3)：13 元素被溅射的数量急剧增加，因而Mo元素成 2高原，贺志勇，赵晋香，等，20CV钢机用锯条齿部表 为供给工件表面形成渗层的主要元素. 面强化组织的研究.材料科学与工艺，1995(3)：62 (2)宏观工艺参数的影响.在双辉渗金属过 3 Xu Zhong.Double Glow Surface Alloying Process.in: Third Pacific Rim International Conference on Advanced 程中，由于工件表面也进行辉光放电，并且也被 Materials and Processing.Hawaii,1998.1969 溅射轰击，源极供给并沉积到工件表面的合金 4范本惠，潘俊德，徐重，等，A3钢板等离子镍铬共渗，金 元素有再次被择优溅射的可能.当工件电压选 属热处理，1988(9)：37 择较高的情况下，工件表面的轰击强度加大，而 5古风英，贺志勇，高原，等.，铁为基双层辉光离子渗金 溅射率不同的元素在工件表面的含量再次被分 属.太原工业大学学报，1993(1)：21 配，所以溅射率较低的元素Mo在工件表面的 6张旭，董建新，杨忠民，等.双层辉光离子灣进行镍基合 金表面合金化的研究.金属学报，1999（增刊）：506 含量不断增加.正是以上2个原因造成渗层表 7李忠厚，秦林，刘小平，等离子渗金属扩散方程解对表 面Ni,Cr,Mo元素含量与源极有较大差异. 层合金贫化的提示.材料导报，1999(1)：100 Depletion of Alloying Elements and Composition Demixing in Surface Layers by Double Glow Plasma Method XU Jiang, XIE Xishan,XU Zhong 1)Material Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Research Institute of Surface Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China ABSTRACT The depletion of alloying elements and composition demixing in surface alloyed layer on the 20steel in process of double plasmas suface alloying hastelloy C-2000 had been studied.The results showed that the depletion of alloying elements were related to distortion gradient in surface alloyed layer and phenor- nena of antisputter,and the compostion demixing emerged as a result of different sputter character of element Ni,Cr,Mo. KEYWORDS double glow;multi-element surface alloying;depletion of alloying element

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 元素中的 比例逐渐增 大 ， 当工件 电压较高时 ， 沉 积到工件表面 的合金元素被再次溅射 ， 。 元素 在表面 的合金含 进一 步加大 ， 所 以 。 元素 没 有形成表面 贫化且 在渗层 中成梯度分布 图 表 明 尽管 一 合金 中 ， 。 元 素质量 分数 只有 ， 但是 在渗层表面 。 元素却大于 此外 ， ， 元素质量分数 也 与 一 合金存在较大差 别 我 们认为原 因 主要有 以 下 个方 面 从源 极 的合金成分变化来看 ， 源极表面 存在择优溅射现象 由于 ， ， 溅射率不 同 ， 溅射率较高 ， 在渗金属开始 阶段优先溅射 ， 溅 射率低 的 。 被溅 射 的数量较少 ， 因此在 源 极表面较难溅射的元 素 。 无论是含量还 是在 源极表面 的所 占面积分数逐渐增加 从 图 及 表 可 以看 到 ， 在源极表面 富 的 白色 区域逐 渐增加 ， 富 ， 黑色 区域不 断减 小 这 时 。 元 素被溅射的数量 急剧增加 ， 因而 。 元素成 为供给工 件表面形 成渗层 的 主要元 素 宏 观工 艺参数 的影 响 在双辉渗金属 过 程 中 ， 由于工件表面也进行辉光放 电 ， 并且也被 溅射轰击 ， 源 极供给并沉积到工件表面 的合金 元 素有再次被择优溅射的可能 当工件电压选 择较高的情况下 ， 工件表面的轰击强度加大 ， 而 溅射率不 同的元素在工件表面 的含量再次被分 配 ， 所 以溅射率较低的元 素 。 在工 件表面 的 含 量 不 断增加 正是 以 上 个原 因造成渗层表 面 ， ， 。 元素含量 与源极有较 大差 异 结论 在 以 钢基上 双辉渗 一 合金 ， 渗层 出现 了严重 的成分离析和 ， 元素 表 面贫化 现 象 ， 双层辉光离子渗 一 合金 出 现的表面合金贫化与工件表层离子轰击形成 的 畸 变 梯 度 以 及 反 溅 射有 关 双层辉光离子渗 一 合金 出 现 的成分离析现 象是 由于合金 ，， 。 的溅射 特征不 同造成 的 源极表面存在择优溅射的同 时 ， 本试验所选择 的较高 电压 和较低 的气压使 工件表层合金元素再次择优溅射 ， 加重成分离 析现象 参 考 文 献 徐重 ， 王 从 曾 ，苏永安 ， 等 离子渗钨钥技 术在手用钢 锯条 上的应用 金属热处 理 ， 高原 ， 贺志 勇 ， 赵晋香 ， 等 钢机用 锯条齿部表 面强化组织 的研究 材料科学 与工 艺 ， 傲 几 ， 范本惠 ，潘俊德 ，徐重 ， 等 钢 板 等离子镍铬共渗 金 属热处理 ， 古风英 ， 贺志 勇 ，高原 ， 等 铸铁为基 双层辉光离子渗金 属 太原 工 业大学学报 ， 张旭 ，董建新 ，杨忠 民 ， 等 双层辉光离子渗进行镍基合 金表面合金化的研究 金属 学报 ， 增 刊 李忠厚 ，秦林 ，刘小平 ， 等 离子渗金属扩散方程解对表 层合金 贫化 的提示 材 料导 报 ， 滋 丫 馆 ，气 刀百六 ， ，， 心 ， 时 ， ， 吨 助 玩 ， ， 臼 加 一 ， ， 哪 ， 一