一種碳化物析出型稀土滲碳鋼的製作方法

2023-12-02 19:11:31 1

專利名稱：一種碳化物析出型稀土滲碳鋼的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種碳化物析出型稀土滲碳鋼，屬稀土合金鋼及滲碳方法的技術領 域。
背景技術：
滲碳熱處理是機械製造業中廣泛應用的一種化學熱處理，其目的是使工件獲得高 的表面硬度、強度及耐磨性，普通滲碳鋼常規滲碳滲層表面含碳量為0.8% 1.0%，經淬 火、低溫回火處理後滲碳層的顯微組織為在回火馬氏體和殘餘奧氏體所構成的基體上分 布著碳化物。碳化物的數量、形態及分布對工件表面的硬度、強度及耐磨性起著至關重要的 作用，為提高工件的力學性能，增加碳化物數量，採用在較高碳勢條件下滲碳時，極易出現 網狀碳化物或粗大的角狀碳化物，反而導致工件力學性能降低，如何進一步提高工件滲碳 的質量和使用壽命，獲得優越的滲層組織和力學性能，一直是材料熱處理工作者潛心研究 的課題。按照合金內氧化反應會析出強還原性合金元素氧化物的原理，通過合金化手段， 提供一種碳化物析出型稀土滲碳鋼，並對碳化物析出型稀土滲碳鋼進行滲碳，在碳原子自 表面向內部擴散的同時，在滲碳層中彌散析出合金碳化物，經淬火、低溫回火後得到在回火 馬氏體和殘餘奧氏體所構成的基體上彌散分布著超細顆粒狀合金碳化物的滲層組織，以大 幅度提高工件表面的硬度、強度及耐磨性。

發明內容
發明目的本發明的目的在於克服現有技術的不足，通過合金化手段，提供一種碳化物析 出型稀土滲碳鋼，即鉻錳矽鉬稀土合金鋼，並進行滲碳，在碳原子自表面向內部擴散的同 時，滲碳層中彌散析出平均直徑為200nm的超細顆粒狀合金碳化物，工件的滲碳層深度達 1. 6mm，表層含碳量達2 3%，淬火、低溫回火後滲碳層顯微組織為回火馬氏體和殘餘奧氏 體所構成的基體上彌散分布著超細顆粒狀合金碳化物，以大幅提高工件表面的硬度、強度 及耐磨性。技術方案本發明使用材料為鉻錳矽鉬稀土合金鋼、異丙醇、甲醇、煤油、PAG淬火劑，其組 合用量如下以毫升、毫米為計量單位鉻錳矽鉬稀土合金鋼毛坯Φ 28 X 163mm異丙醇(CH3)2CHOHIOOOml 士 50ml甲醇CH3OH2000ml 士 50ml煤油CH3(CH2)nCH3 5000ml 士 IOOmlPAG 淬火劑5% PAG 水溶液 20000ml 士 IOOml鉻錳矽鉬稀土合金鋼化學元素成份、重量組合比為
鉻:Cr3. 3 4. 0%
錳Mn0. 3 0. 8%
矽:Si0. 6 1. 0%
鉬Mo1. O 1. 5%
混合稀土 RE0. 1 0. 4%
鐵=Fe91. 85 94. 47%
碳:C0. 18 0. 4%
其它元素0. 05%
滲碳方法如下
(1)鍛壓鉻錳矽鉬稀土合金鋼，成Φ 25 X 160mm毛坯；
(2)鉻錳矽鉬稀土合金鋼毛坯正火處理在正火爐內進行，正火溫度880°C 士5°C，
保溫30min士 IOmin後，置於自然空氣中冷卻至25°C 士5°C ；(3)機械加工鉻錳矽鉬稀土合金鋼試棒將鉻錳矽鉬稀土合金鋼毛坯在車床上精車外圓、端面，加工至Φ20Χ 150mm，各表 面粗糙度Ra 1. 6-3. 2um，在非工作端留有吊裝環槽；(4)用煤油清洗鉻錳矽鉬稀土合金鋼試棒表面，使其潔淨，表面不得有油汙、鏽斑、 水分；(5)清理、清潔滲碳爐打開滲碳爐，用壓縮空氣清理滲碳爐內壁，清除爐內炭黑、灰塵、汙物及有害物質， 使其潔淨；(6)置放鉻錳矽鉬稀土合金鋼試棒將試棒用鐵絲捆綁後垂直懸掛於滲碳爐內，吊裝牢固；(7)關閉滲碳爐蓋，使其密閉，打開排氣孔；(8)開啟電阻加熱器，滲碳爐溫度升至600°C 650°C，開啟滲碳爐內風扇；(9)滲碳①繼續升溫至750°C 760°C，開啟甲醇滴量器，向爐內滴加甲醇，滴入速度20 30ml/min，甲醇在高溫下裂解後氣體體積膨脹，爐內廢氣從排氣孔排出，隨之點燃排氣孔噴 焰咀廢氣；②繼續滴加甲醇、升溫，溫度升至920°C 士5°C，並保溫30min士 lOmin，以便充分排
出廢氣；③滴加滲碳劑異丙醇在恆溫920°C 士5°C、保溫30min士 IOmin後，把甲醇的滴入速度降為10 15ml/ min，同時開啟異丙醇滴量器，向爐內持續滴加異丙醇，由氧探頭，碳勢、溫度智能控制儀控 制異丙醇滴加速度，使爐內碳勢持續保持在Cp= 1.25% 士0.05%範圍內，在920°C 士5V 保溫靜置 420min 士 IOmin ；在高溫狀態下，異丙醇、甲醇裂解，進行氣體滲碳，其化學反應如下
(CH3)、2 CHOH + CH3OH 4=二 > CO+ C02+CH4+H20式中
6
CO 一氧化碳CO2 二氧化碳H2O 水蒸汽CH4:甲烷恆溫保溫420min 士 IOmin後，調節加熱器，溫度降至840°C 850 V，保溫 30min士 lOmin，停止滴加異丙醇、甲醇；(10)冷卻關閉加熱器，關閉爐內風扇，打開開合架、爐蓋，取出試棒，快速置於盛有5% PAG 水溶液的淬火槽內進行淬火冷卻，並隨淬火劑冷卻至25°C 士5°C ；(12)低溫回火將滲碳、淬火後的鉻錳矽鉬稀土合金鋼試棒置於回火爐中，在180°C 士5°C溫度 下，恆溫保溫180min士 IOmin ；(13)冷卻將回火後的鉻錳矽鉬稀土合金鋼試棒置於自然空氣中冷卻至25°C 士5°C ；(14)檢測、分析、表徵對滲碳後的鉻錳矽鉬稀土合金鋼試棒表面的滲碳層深度、硬度、含碳量、顯微組織 進行檢測、分析和表徵；①用掃描電子顯微鏡分析觀察滲碳層顯微組織；②用顯微硬度儀測量滲碳層深度；③用顯微硬度儀進行表面硬度測量；④用剝層化學分析法測量滲碳層碳濃度分布、表層含碳量；結論滲碳層顯微組織回火馬氏體和少量殘餘奧氏體構成的基體上彌散分布著 大量平均直徑為200nm的超細顆粒狀合金碳化物；滲碳層深度1. 6mm ；表面滲層硬度HVai 1057 ；表層含碳量2 3%;(15)鉻錳矽鉬稀土合金鋼試棒存放將滲碳後的稀土滲碳鋼試棒表面塗覆防鏽脂，用軟質材料包裝，儲存於乾燥、潔淨 環境，防潮、防酸鹼鹽侵蝕，儲存溫度25°C 士5°C，相對溼度彡10%。有益效果本發明與背景技術相比具有明顯的先進性，是為使工件獲得更高的表面硬度、強 度及耐磨性等技術要求，通過合理的合金化手段，提供一種碳化物析出型稀土滲碳鋼_鉻 錳矽鉬稀土合金鋼，先對鉻錳矽鉬稀土合金鋼鍛壓、機加工，然後在滲碳爐內進行氣體滲 碳，採用異丙醇為滲碳劑、甲醇為稀釋劑、煤油為清洗劑、5% PAG水溶液為淬火劑，採用滴 注式氣體滲碳法，在920°C 士5°C、碳勢Cp= 1.25% 士0. 05%、保溫420min士 IOmin條件下， 碳原子自鉻錳矽鉬稀土合金鋼試棒表面向內部擴散的同時，滲碳層中彌散析出超細顆粒狀 合金碳化物，碳化物顆粒平均直徑為200nm，滲碳層深度達1. 6mm,滲碳層含碳量達2 3 %， 經滲碳淬火+低溫回火處理後表面硬度達HVai1057，得到了理想的滲碳層組織，大幅提高 了鉻錳矽鉬稀土合金鋼試棒表面的硬度、強度及耐磨性，此碳化物析出型稀土滲碳鋼和滲
7碳方法可在機械製造工業領域廣泛應用。


圖1為碳化物析出型稀土滲碳鋼滲碳示意2為滲碳爐電控箱集成控制電路框3為試棒主視4為試棒側視5為鉻錳矽鉬稀土合金鋼過飽和滲碳淬火+低溫回火滲碳層顯微組織中所示，附圖標記清單如下1、滲碳爐，2、爐座，3、爐蓋，4、開合架，5、異丙醇滴量器，6、溫度傳感器，7、電阻加 熱器，8、氧探頭，9、風扇，10、吊絲，11、閥，12、甲醇滴量器，13、閥，14、轉動電機，15、試棒， 16、壓力表，17、排氣管，18、閥，19、噴焰咀，20、電控箱，21、顯示屏，22、指示燈，23、控制開 關，24、導線，25、淬火槽，26、5 % PAG水溶液；27、滲碳氣體，28、爐腔。IC1、微計算機控制電路，IC2、液晶顯示電路，IC3、信號指示電路，IC4、控制開關電 路，IC5、風扇控制電路，IC6、電阻加熱控制電路，IC7、溫度傳感器信息攝取電路，IC8、電壓 變換穩壓整流電路，IC9、振蕩器電路，IClO氧探頭碳勢信息攝取電路。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明做進一步說明圖1所示，為碳化物析出型稀土滲碳鋼滲碳示意圖，各部位置要正確，按序操作。滲碳使用的鉻錳矽鉬稀土合金鋼試棒及其它材料是按預先設置的量值範圍確定 的，以毫升、毫米為計量單位。鉻錳矽鉬稀土合金鋼試棒的滲碳是在滲碳爐內進行的，滲碳爐1的下部為爐座2、 上部為爐蓋3，並由開合架4控制開合；滲碳爐1的爐壁內為電阻加熱器7 ；滲碳爐1的左側 部設有溫度傳感器6 ；滲碳爐1上部爐蓋3上由左至右依次設有壓力表16、甲醇滴量器12 及閥11、異丙醇滴量器5及閥13、轉動電機14及風扇9、吊絲10及試棒15、氧探頭8、排氣 管17及閥18、噴焰咀19 ；滲碳爐1內的爐腔28內為滲碳氣體27 ；滲碳爐1的左部為電控 箱20，電控箱20上設有顯示屏21、指示燈22、控制開關23，並由導線24與甲醇滴量器12、 異丙醇滴量器5、轉動電機14及風扇9、氧探頭8、電阻加熱器7、溫度傳感器6聯接；滲碳爐 1的右部設有淬火槽25，淬火槽25內為5% PAG水溶液26。圖2所示，為滲碳爐電控箱集成控制電路框圖，電控箱控制電路由10個分電路組 成整體電路，微計算機控制電路ICl通過導線與液晶顯示屏電路IC2、信號指示電路IC3、控 制開關電路IC4、風扇控制電路IC5、電阻加熱控制電路IC6、溫度傳感器信息攝取電路IC7、 電壓變換穩壓整流電路IC8、振蕩器電路IC9、氧探頭碳勢信息攝取電路IClO聯接。圖3、4為鉻錳矽鉬稀土合金鋼試棒結構圖，非工作端部設有吊裝環槽。圖5為鉻錳矽鉬稀土合金鋼過飽和滲碳淬火+低溫回火滲碳層顯微組織SEM圖，a 為表層顯微組織，b為次表層顯微組織，由圖可知，滲碳層中超細顆粒狀合金碳化物彌散分 布在回火馬氏體和殘餘奧氏體構成的基體上，。實施例1
8
滲碳在滲碳爐內進行，滲碳爐各部處於準工作狀態；將碳化物析出型稀土滲碳鋼-30Cr4SiMoRE鋼製冷拔鋼管模具吊裝於滲碳爐內， 關閉滲碳爐，打開排氣孔，開啟電阻加熱器，滲碳爐內溫度升至600°C 650°C，開啟滲碳爐 內風扇，繼續升溫至750°C 760°C，開啟甲醇滴量器，以20 30ml/min速度滴加甲醇，甲 醇在高溫下裂解後氣體膨脹，爐內廢氣由排氣孔排出，隨之點燃排氣孔噴焰咀廢氣，繼續升 溫至920°C 士5°C，保溫30min充分排出廢氣後，甲醇滴加速度降至10 15ml/min，同時滴 加異丙醇，由氧探頭，碳勢、溫度智能控制儀控制異丙醇滴加速度，使爐內碳勢持續保持在 Cp= 1.25% +0. 05%，溫度920°C 士5°C，保溫靜置420min士 IOmin進行滲碳，隨後溫度降至 840°C 850°C，保溫30min士 lOmin，停止滴加異丙醇、甲醇，開啟爐蓋後迅速將工件浸漬在 5% PAG水溶液內淬冷至25°C 士5°C，經180°C 士5°C加熱保溫180min士 IOmin低溫回火處 理後成最終產品；應用結果表明其使用壽命比Crl2MoV鋼製冷拔鋼管模具的使用壽命提 高了 400%。
權利要求
一種碳化物析出型稀土滲碳鋼，其特徵在於使用的材料為鉻錳矽鉬稀土合金鋼、異丙醇、甲醇、煤油、PAG淬火劑，其組合用量如下以毫升、毫米為計量單位鉻錳矽鉬稀土合金鋼毛坯Φ28×163mm異丙醇(CH3)2CHOH 1000ml±50ml甲醇CH3OH 2000ml±50ml煤油CH3(CH2)nCH3 5000ml±100mlPAG淬火劑5％PAG水溶液 20000ml±100ml鉻錳矽鉬稀土合金鋼化學元素成份、重量組合比為鉻Cr3.3～4.0％錳Mn0.3～0.8％矽Si0.6～1.0％鉬Mo1.0～1.5％混合稀土RE 0.1～0.4％鐵Fe91.85～94.47％碳C 0.18～0.4％其他元素0.05％滲碳方法如下(1)鍛壓鉻錳矽鉬稀土合金鋼，成Φ25×160mm毛坯；(2)鉻錳矽鉬稀土合金鋼毛坯正火處理在正火爐內進行，正火溫度880℃±5℃，保溫30min±10min後，空冷至25℃±5℃；(3)機械加工鉻錳矽鉬稀土合金鋼試棒將鉻錳矽鉬稀土合金鋼毛坯在車床上精車外圓、端面，加工至Φ20×150mm，各表面粗糙度Ra 1.6 3.2um，在非工作端留有吊裝環槽；(4)用煤油清洗鉻錳矽鉬稀土合金鋼試棒表面，使其潔淨，表面不得有油汙、鏽斑、水分；(5)清理、清潔滲碳爐打開滲碳爐，用壓縮空氣清理滲碳爐內壁，清除爐內炭黑、灰塵、汙物及有害物質，使其潔淨；(6)置放鉻錳矽鉬稀土合金鋼試棒將試棒用鐵絲捆綁後垂直懸掛於滲碳爐中間，吊裝牢固；(7)關閉滲碳爐蓋，使其密閉，然後打開排氣孔；(8)開啟電阻加熱器，滲碳爐溫度升至600℃～650℃，開啟滲碳爐內風扇；(9)滲碳①繼續升溫至750℃～760℃，開啟甲醇滴量器，向爐內滴加甲醇，滴入速度20～30ml/min，甲醇在高溫下裂解氣體後體積膨脹，爐內廢氣從排氣孔排出，隨之點燃排氣孔噴焰咀廢氣；②繼續滴加甲醇、升溫，溫度升至920℃±5℃，並保溫30min±10min，以便充分排出廢氣；③滴加滲碳劑異丙醇在恆溫920℃±5℃、保溫30min後，把甲醇的滴入速度降為10～15ml/min，同時開啟異丙醇滴量器，向爐內持續滴加異丙醇，氧探頭和碳勢、溫度智能控制儀控制異丙醇滴入速度，使爐內碳勢持續保持在Cp＝1.25％±0.05％範圍內，在920℃±5℃保溫靜置420min±10min；在高溫狀態下，異丙醇、甲醇裂解，進行氣體滲碳，其化學反應如下式中CO一氧化碳CO2二氧化碳H2O水蒸汽CH4甲烷恆溫保溫420min±10min後，調節加熱器，溫度降至840℃～850℃，保溫30min±10min，停止滴加異丙醇、甲醇；10)冷卻關閉加熱器，關閉爐內風扇，打開開合架、爐蓋，取出試棒，快速置於盛有5％PAG水溶液的淬火槽內進行淬火冷卻，並隨淬火劑冷卻至25℃±5℃；(12)回火將滲碳淬火後的鉻錳矽鉬稀土合金鋼試棒置於回火爐中，在180℃±5℃溫度下，恆溫保溫180min±10min；(13)冷卻將回火後的鉻錳矽鉬稀土合金鋼試棒置於自然空氣中冷卻至25℃±5℃；(14)檢測、分析、表徵對滲碳後的鉻錳矽鉬稀土合金鋼試棒的滲碳層深度、硬度、含碳量、顯微組織進行檢測、分析和表徵；①用掃描電子顯微鏡分析觀察滲碳層顯微組織②用顯微硬度儀測量滲碳層深度；③用顯微硬度儀進行表面硬度測量；④用剝層化學分析法測量滲碳層碳濃度分布、表層含碳量；結論滲碳層顯微組織為回火馬氏體和少量殘餘奧氏體構成的基體上彌散分布著大量平均直徑為200nm的超細顆粒狀合金碳化物；滲碳層深度1.6mm；表面滲碳層硬度HV0.11057；表層含碳量2～3％；(15)鉻錳矽鉬稀土合金鋼試棒存放將滲碳後的鉻錳矽鉬稀土合金鋼試棒表面塗覆防鏽脂，用軟質材料包裝，儲存於乾燥、潔淨環境，防潮、防酸鹼鹽侵蝕，儲存溫度25℃±5℃，相對溼度≤10％。FSA00000339056300021.tif
2.根據權利要求1所述的一種碳化物析出型稀土滲碳鋼，其特徵在於所述的稀土滲 碳鋼滲碳是在滲碳爐內進行的，滲碳爐(1)的下部為爐座(2)、上部為爐蓋(3)，並由開合架 ⑷控制開合；滲碳爐⑴的爐壁內為電阻加熱器(7)；滲碳爐⑴的左側部設有溫度傳感器(6)；滲碳爐(1)上部爐蓋(3)上由左至右依次設有氣壓表(16)、甲醇滴量器(12)及閥 (11)、異丙醇滴量器(5)及閥(13)、轉動電機(14)及風扇(9)、吊絲10及試棒(15)、氧探頭 (8)、排氣管(17)及閥(18)、噴焰咀(19)；滲碳爐(1)內的爐腔(28)內為滲碳氣體(27)； 滲碳爐(1)的左部為電控箱(20)，電控箱(20)上設有顯示屏(21)、指示燈(22)、控制開關 (23)，並由導線(24)與甲醇滴量器(12)、異丙醇滴量器(5)、轉動電機(14)及風扇(9)、氧 探頭(8)、電阻加熱器(7)、溫度傳感器(6)聯接；滲碳爐(1)的右部設有淬火槽(25)，淬火 槽(25)內為5% PAG水溶液(26)。
3.根據權利要求1所述的一種碳化物析出型稀土滲碳鋼，其特徵在於所述的滲碳爐 電控箱的集成控制電路，由10個分電路組成整體電路，微計算機控制電路ICl通過導線與 液晶顯示屏電路IC2、信號指示電路IC3、控制開關電路IC4、風扇控制電路IC5、電阻加熱控 制電路IC6、溫度傳感器信息攝取電路IC7、電壓變換穩壓整流電路IC8、振蕩器電路IC9、氧 探頭碳勢信息攝取電路IClO聯接。
4.根據權利要求1所述的一種碳化物析出型稀土滲碳鋼的滲碳方法，其特徵在於所 述的滴注式氣體滲碳法是以異丙醇為滲碳劑、甲醇為稀釋劑、煤油為清洗劑、5% PAG水溶 液為淬火劑，在溫度920°C 士5°C、碳勢Cp= 1.25% 士0. 05%、保溫420min士 IOmin條件下， 碳原子自碳化物析出型稀土滲碳鋼試棒表面向內部擴散的同時，滲碳層中彌散析出超細顆 粒狀合金碳化物。
5.根據權利要求1所述的一種碳化物析出型稀土滲碳鋼，其特徵在於滲碳層深度 1. 6mm、表面滲碳層硬度HVa 4057、表層含碳量2 3%、滲碳層顯微組織為回火馬氏體和少 量殘餘奧氏體構成的基體上彌散分布著大量平均直徑為200nm的超細顆粒狀合金碳化物。
全文摘要
本發明涉及一種碳化物析出型稀土滲碳鋼，即鉻錳矽鉬稀土合金鋼，用氣體滲碳法滲碳，鉻錳矽鉬稀土合金鋼試棒經煤油清洗後吊裝在滲碳爐內，滴加滲碳劑異丙醇和稀釋劑甲醇，在溫度920℃±5℃、碳勢Cp＝1.25％±0.05％、保溫420min±10min狀態下，碳原子自表面向內部擴散的同時，滲碳層中彌散析出平均直徑為200nm的超細顆粒狀合金碳化物，滲碳層深度達1.6mm，表層含碳量達2～3％，降溫至840℃～850℃保溫30min後，用5％PAG水溶液浸漬淬冷，經180℃±5℃低溫回火，鉻錳矽鉬稀土合金鋼滲碳層硬度達HV0.11057，比現有技術硬度提高20％，耐磨性提高60％，大幅提高了工件表面的硬度、強度及耐磨性。
文檔編號C22C38/22GK101967605SQ20101053705
公開日2011年2月9日 申請日期2010年11月7日 優先權日2010年11月7日
發明者於靜, 張丙靜, 梁偉, 王保成, 田曉青, 石巨巖, 謝貴生 申請人:太原理工大學