稀土低溫高濃度氣體滲碳方法
2023-05-30 16:30:46
專利名稱：稀土低溫高濃度氣體滲碳方法
技術領域：
本發明涉及一種採用稀土滲碳劑進行氣體滲碳的方法。
目前國內外各類機械製造廠廣泛採用的氣體滲碳工藝，包括井式滴注式氣體滲碳，密封箱式氣體滲碳或連續式氣體滲碳等，從工藝方法的本質來說，均是幾十年一貫制;即滲碳溫度920-940℃滲碳介質無論是吸熱式可控氣氛。滴注式可控氣氛，以及近年來發展起來的氮基氣氛滲碳等，均沒有採用任何催滲劑;滲後的金相組織的評定與檢查標準也沒有任何本質上的差別。但這並不是說在滲碳整體技術上沒有進展。自80年代計算機在工藝過程的控制中獲得應用以來，無論是滲碳設備結構上的進一步完善和合理化，及工藝過程的控制方面均取得了顯著的進展。例如用計算機控制爐氣碳勢、滲碳層深度、金相組織等的精度、復現性和可靠性方面均獲得了巨大成功。
哈爾濱工業大學自1983年發現稀土元素在碳氮共滲過程中的催化作用，並於1984年創製出稀土碳氮三元共滲新工藝，1985年創製出稀土碳二元共滲新工藝以來，目前國內已有數十家工廠已用於生產，取得了較好效益。
但目前的滲碳工藝仍存在著下面一些缺點①溫度高能耗大;②滲碳淬火後零件變形大;③滲碳設備所用材料耐熱性能要求高;使用壽命短;④滲碳淬火後金相組織不夠理想，因而其使用性能如耐磨性和接觸疲勞等均不夠高，未能更充分地發揮滲碳鋼的潛在性能。
近年來創製的稀土碳二元共滲新工藝，從工藝原理與方法上與原工藝也沒有本質差別，僅是利用了稀土的催滲作用，彌補了降低溫度後所代來的滲速減慢。
本發明的目的在於提出一種採用稀土催滲劑的低溫高濃度氣體滲碳方法，採用該方法可以獲得更快的滲速和較高滲碳濃度，從而達到提高金屬滲後表層碳濃度、優化金相組織、節約能源、降低成本的目的。
基本原理1)高濃度滲碳的界限本發明是根據Fe-C二元相圖作為參考依據來劃分的在某一溫度下，在某一爐氣碳勢下對某一特定鋼種滲碳，所滲入碳的濃度可分為三種情況(1)低濃度滲碳所滲入的碳未達到該鋼在滲碳溫度下奧氏體飽和濃度(0.8～1.0%C)，淬火後金相組織基本上不出現碳化物。
(2)中濃度滲碳即滲入的碳濃度達到或略高於奧氏體的飽和濃度(1.0～1.3%C)，金相組織特徵為在奧氏體晶界上析出連續或斷續碳化物網、或在晶界上形成串珠狀、爪狀等碳化物形態。
(3)高濃度滲碳滲入的碳濃度遠高於奧氏體的飽和濃度(1.3～2.5%C)，金相組織的特徵是除奧氏體晶界上優先析出碳化物外，晶內亦同時沉澱析出，碳化物呈顆粒狀均勻細小彌散分布。淬火後基體為隱晶馬氏體或細馬氏體，這種馬氏體有較高的強度和韌性。
2)低溫滲碳的必要性常規920-940℃溫度下的氣體滲碳，當採用高濃度滲碳時，由於碳化物甚易在晶界偏聚併集聚長大，因而幾乎得不到細小彌散分布的碳化物，甚至零件表面形成連續或斷續的碳化物殼。新工藝採用820-900℃低溫滲碳容易形成細小顆粒狀碳化物，且不易長大。
3)稀土的重要作用①催滲作用在820-900℃溫度範圍內，在完全相同條件下滲碳，滲劑中加入稀土的比不加的滲入速度可提高25～35%基本上可以彌補降低溫度所造成的速度損失。
②微合金化作用本發明大量試驗結果證明，稀土優先沿晶界擴散，並同時由晶界向晶內擴散，儘管濃度梯度很低。但滲入速度卻很快。由於稀土的原子半徑比Fe的大40%多，因而稀土原子周圍的鐵原子點陣發生巨大畸變，C、N等間隙原子將優先在這些畸變區偏聚，當濃度達一定值後，即成為碳化物核心，進而沉澱析出碳化物。由於稀土原子半徑與鐵原子的巨大差異，稀土原子在鐵中只能以稀固溶體的形式存在而不可能偏聚在一起，從而保證了碳化物核心的數量很多而彌散度卻很大。由於溫度很低沉澱出的碳化物不易聚集長大，最終甚易獲得均勻細小彌散分布的碳化物。
本發明的要點在於採用稀土如混合的或單質La和Ce的滷化物、硝酸鹽或碳酸鹽組成的稀土催化滲劑或其它稀土化合物催滲劑，滲碳溫度為820-900℃，爐氣碳勢為1.3-2.0%。C本發明具有如下優點(1)滲碳溫度低由原工藝920-940℃降至820-900℃，每幹一爐活可節電25-35%，零件變形大約可減少1/2-1/3;
(2)金相組織優異滲碳表層過共析區在隱晶馬氏體的基本上分布著細小彌散顆粒狀的碳化物，從而可提高滲碳表層強度和韌性及耐磨性、彎曲疲勞和接觸疲勞性能;
(3)滲入速度快在相同低溫度滲碳條件下，滲劑中加入稀土催滲劑，比不加的快25-35%。新工藝從裝爐到出爐的生產周期與原工藝相同，一般說來，原工藝的滲層深度若採用中限，而新工藝的則為中下限;
(4)工藝簡單可控性好工藝曲線較原工藝簡化而減少人工操作程序。同時金相組織也更容易控制，因而新工藝的重複性、可靠性將比原工藝要好得多;
(5)成本低效益大新工藝是在滴注式可控氣氛滲碳基礎上，適當添加稀土催滲劑而發展起來的。稀土添加劑非常便宜，每幹一爐活成本＜4元，微不足道，滲劑不堵塞，無腐蝕。而產生的技術經濟效益卻是巨大的。僅節電一項1臺90KW的井式滲碳爐每年可達5萬餘度。電爐絲壽命提高1倍，修爐周期達半年以上。
(6)通用性強新工藝系通用型滲碳工藝，適用於各類機械零件，各種滲碳鋼，尤其適用於淺層或中等滲層的各種滲碳。而對於鋼種來說，含有Cr、Mo、V、Ti等易形成碳化物元素的更易獲得滿意金相組織。
圖1為稀土低溫高濃度氣體滲碳標準工藝曲線;
圖2為常規滲碳與稀土高濃度滲碳滲速統計平均值對比圖;
圖3為860℃稀土高濃度滲碳後的金相組織隱晶馬氏體加碳化物X400，材料20CrMnTi實施例本發明方法在拖拉機變速箱齒輪上進行試驗，採用《固液稀土化學熱處理催滲劑及其配製方法》(專利申請號88104204.8)中所提出的稀土滲劑配方，採用圖1所示的工藝曲線在20GMmMo和20CrMnTi鋼上均十分成功。尤其對20CrMnTi鋼無論在滲碳速度與金相組織上均得到滿意效果(見附圖2和圖3)，力學性能測定指出，耐磨性、彎曲疲勞和接觸疲勞與原工藝相比，可提高15-40%視鋼種和具體工藝參數而不同。
新工藝的經濟效益十分顯著，統計指出節電率達25-35%，修爐周期由兩個月延長到半年以上，爐絲壽命延長1倍，裝齒輪的吊具壽命延長了1/3以上。處理後的齒輪，花鍵內孔和公法線變形可減少 1/2 ～ 1/3 ，變速箱裝配由難變易。
權利要求
1.一種稀土低溫高濃度氣體滲碳方法，其特徵在於採用稀土化合物催滲劑，滲碳溫度為820-900℃，爐氣碳勢為1.3-2.0%C。
全文摘要
稀土低溫高濃度氣體滲碳是把低溫滲碳、稀土的催化和微合金化，以及高或超高碳勢結合起來的一種新工藝方法。其主要特點滲碳溫度範圍820-900℃，滲劑中含有稀土催滲劑，滲碳淬火後表面層的金相組織為強度與韌性較高的隱晶馬氏體，其上分布著細小彌散的顆粒狀碳化物。這種組織具有較高的耐磨性，彎曲疲勞和接觸疲勞強度較標準滲碳工藝提高15-40％，節約電能25-35％，減少變形，爐具壽命延長1倍，經濟效益顯著。
文檔編號C23C8/22GK1061443SQ9010919
公開日1992年5月27日 申請日期1990年11月13日 優先權日1990年11月13日
發明者劉志儒, 王成國, 聶眾, 潘肅, 唐志秀, 單永昕 申請人:哈爾濱工業大學, 鞍山紅旗拖拉機製造廠