CN100463997C - 一种超饱和渗碳钢 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超饱和渗碳钢，采用一种新的合金元素钢，即铬锰钼钒硅纲，用气体渗碳法进行超饱和渗碳，以大幅度提高铬锰钼钒硅钢渗碳层硬度、强度、耐磨性，铬锰钼钒硅钢试棒在井式渗碳炉内，滴加稀释剂甲醇和渗碳剂丙酮，在925℃±5℃、碳势1.1%±0.05%的状态下，在480min±10min时间内，完成超饱和渗碳，渗碳层深度可达1.5mm，渗碳层含碳量可达2～3%，显微组织为：马氏体和残余奥氏体构成的基体上弥散分布着大量细小颗粒状合金碳化物，经830～840℃油冷淬火、170～180℃低温回火处理，铬锰钼钒硅钢表面硬度值可达HRC67～70，其硬度比现有技术提高20～25%，耐磨性提高90%，是十分理想的超饱和渗碳钢及渗碳方法。

Description

一种超饱和渗碳钢

技术领域

本发明涉及一种超饱和渗碳钢，属黑色金属材料合金钢及渗碳方法的技术领域。

背景技术

伴随着社会的进步，机械产品日渐倾向于轻、薄及短小化，所生产的机械设备日趋小型化和高性能化，这就强烈地要求机械零件具有更高的力学性能和良好的可靠性，普通渗碳钢常规渗碳热处理时，渗碳层表面的含碳量为0.8～1.0％，显微组织为：在马氏体和残余奥氏体所构成的基体上分布着碳化物，碳化物的存在及其数量和形态对于提高机械零件表面的硬度、强度及耐磨性起着至关重要的作用。

机械零件渗碳过程中，当渗碳炉内气氛碳势大于碳在奥氏体中达到饱和时的活度，便可生成碳化物，称为超饱和渗碳，为进一步提高机械零件的力学性能，在钢的渗碳处理中，欲增加碳化物的数量而采用在较高碳势条件下进行超饱和渗碳时，往往会沿奥氏体晶界析出网状碳化物或形成粗大角状碳化物，而碳化物形态的恶化将导致其力学性能显著下降，为不合格品，目前在国内还没有专用的超饱和渗碳钢。

发明内容

发明目的

本发明的目的就是针对背景技术的不足，采用一种新的合金钢——铬锰钼钒硅钢，用气体渗碳法进行超饱和渗碳，使机械零件表层的渗碳层达1.5mm含碳量达到2～3％，显微组织马氏体和残余奥氏体构成的基体上弥散分布大量细小颗粒状合金碳化物，以大幅提高机械零件的力学性能——硬度、强度、耐磨性，填补我国超饱和渗碳钢的科研空白。

技术方案

本发明使用原料为：丙酮、甲醇、机油、合金钢试棒，其组合参数、量比如下：以毫升、毫米为计量单位

丙酮：CH₃COCH₃、10000ml±100ml

甲醇：CH₃OH、10000ml±100ml

机油：10000ml±100ml

合金钢试棒：Φ20×150mm

合金钢试棒化学元素成分、重量组合为：铬锰钼钒硅钢

铬：Cr      2.7～3.2％

锰：Mn      1.1～1.4％

钼：Mo      0.4～0.6％

钒：V       0.3～0.5％

硅：Si      0.7～0.9％

碳：C       0.18～0.38％

铁：Fe      92.98～95.62％

其它元素：  0.06％       它的和为100％

气体超饱和渗碳方法如下：

1)、机械加工铬锰钼钒硅钢试棒

将Φ20×150mm的铬锰钼钒硅钢试棒在车床上精车外圆、端面，表面粗糙度Ra0.32～0.64μm；

2)、试棒表面不得有水分、油污、锈斑、伤痕、裂纹等缺陷，并进行清理；

3)、清理井式渗碳炉

开启渗碳炉，用压缩空气清理渗碳炉内壁，清除污物、碳黑及杂质，使其洁净；

4)、置放铬锰钼钒硅钢试棒

在井式渗碳炉中部的网状金属料筐内，垂直置放铬锰钼钒硅钢试棒；

5)、升温并向渗碳炉中滴加甲醇

①关闭渗碳炉炉盖，打开排气孔；

②渗碳炉升温，由室温升温至600℃～650℃时，开启循环风扇；

③继续升温至750℃～780℃时滴加甲醇，滴入速度120～140滴/min；

④在升温过程中，温度从750℃升至920℃之间，持续滴加甲醇，边滴加、边升温、边裂解、边排出废气，在920℃保温30min，以便充分排出废气，排气结束后点燃喷焰咀；

在滴加甲醇过程中将发生化学反应，其反应式如下：

式中：

CO：一氧化碳

CO₂：二氧化碳

H₂O：水

CH₄：甲烷

6)、滴加渗碳剂丙酮、稀释剂甲醇、气体渗碳、直接淬火

①渗碳炉升温至925℃±5℃时，恒温保温480min±10min，炉内碳势保持在1.1％±0.05％；

②继续滴加甲醇，滴加速度100～110滴/min；

③滴加渗碳剂丙酮

碳势采用氧探头测定，并由碳势、温度智能控制器控制，通过自动控制电磁阀调整渗碳剂滴量，控制炉内碳势；

在滴加甲醇、丙酮过程中，甲醇、丙酮将汽化，并裂解，在碳势1.1％±0.05％的状态下，进行气体渗碳，并进行化学反应，反应式如下：

④降温冷却，直接淬火

停止加热，当温度降至830-840℃，保温30min后停止滴加丙酮、甲醇，开炉取出试棒，将试棒快速直接置于机油中进行淬火，使其在机油中冷却至室温；

7)、回火处理

①将淬火后的试棒，放入回火炉中，在170～180℃温度下，保温180min；

②取出试棒，置于自然空气环境中冷却至室温；

8)、检测、分析、表征

①用金相显微镜分析观察，显微组织为：回火马氏体和残余奥氏体构成的基体上弥散分布着大量细小颗粒状合金碳化物，碳化物颗粒平均直径为D＝0.3～0.4μm；

②用显微硬度计测定渗碳层深度为1.5mm；

③用洛氏硬度计测量试棒表面硬度为HRC67～70；

④用剥层化学分析法，检测渗碳层碳浓度分布，表层含碳量为2～3％；

9)、存储

在渗碳后的试棒表面涂覆机油，用软质材料包装，置于干燥环境中保存。

所述的铬锰钼钒硅钢气体超饱和渗碳是以铬锰钼钒硅钢为渗碳基体，铬锰钼钒硅钢化学元素成分、重量比为：

铬：Cr       2.7～3.2％

锰；Mn       1.1～1.4％

钼：Mo       0.4～0.6％

钒：V        0.3～0.5％

硅；Si       0.7～0.9％

碳；C        0.18～0.38％

铁：Fe       92.98～95.62％

其它元素：   0.06％     它的和为100％

所述的铬锰钼钒硅钢气体超饱和渗碳，是以甲醇为稀释剂、以丙酮为渗碳剂、以机油为淬火冷却剂。

所述的铬锰钼钒硅钢气体超饱和渗碳，渗碳炉炉腔温度由室温升温至925℃±5℃，滴加渗碳剂丙酮、稀释剂甲醇，恒温保温480min±10min，丙酮由汽化并裂解，高温下渗入试棒合金钢表面，然后降温，当温度降至830～840℃，保温30min后，将试样直接快速置于机油中进行淬火，淬火后在机油中冷却至室温，在渗碳过程中，渗碳炉内碳势气氛保持在1.1％±0.05％。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，主要针对机械零件对力学性能的要求，采用一种特定的合金钢——铬锰钼钒硅钢，用气体渗碳法进行超饱和渗碳，使机械零件表层的含碳量达到2～3％，渗碳层深度达1.5mm，显微组织为：马氏体和残余奥氏体构成的基体上弥散分布大量细小颗粒状合金碳化物，从而大幅提高零件的力学性能——硬度、强度、耐磨性，采用铬锰钼钒硅钢试棒，在井式渗碳炉内滴注稀释剂甲醇、渗碳剂丙酮，在925℃±5℃时渗碳480min±10min，并保持炉内碳势在1.1％±0.05％，在830～840℃保温30min后直接油冷淬火，在170～180℃温度下保温180min回火，通过渗碳、淬火、回火处理后，铬锰钼钒硅钢的渗碳层深度达1.5mm，渗碳层含碳量达2～3％，显微组织为：马氏体和残余奥氏体构成的基体上弥散分布着大量细小颗粒状合金碳化物，碳化物颗粒平均直径为D＝0.3～0.4μm，检测结果表明：表层硬度可达HRC67～70，和普通合金渗碳钢的渗碳层相比硬度提高了20～25％，耐磨性提高了90％，此超饱和渗碳钢及渗碳技术可在多种工业领域应用。

附图说明

图1为超饱和渗碳钢渗碳工艺流程图

图2为井式气体渗碳炉结构图

图3为超饱和渗碳工艺规范曲线图

图4为铬锰钼钒硅钢925℃±5℃渗碳后横切面放大400倍金相图

图5为铬锰钼钒硅钢830～840℃淬火后横切面放大2000倍金相图

图6为铬锰钼钒硅钢170～180℃回火后放大400倍金相图

图中所示，附图标记如下：

1、炉座，2、炉体，3、炉盖，4、丙酮滴加器，5、甲醇滴加器，6、热电偶，7、氧探头，8、电阻加热器，9、排气孔，10、合金钢试棒，11、料筐，12、炉腔，13、零件座，14、循环风扇，15喷焰咀。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明：

图1所示，为超饱和渗碳钢渗碳工艺流程图，是铬锰钼钒硅钢试棒气体渗碳及后续处理的全过程，要严格按渗碳程序操作。

气体超饱和渗碳使用的稀释剂为甲醇、渗碳剂为丙酮、直接淬火冷却剂为机油，各材料要严格精选，气体超饱和渗碳是在井式渗碳炉内进行的，在渗碳炉上部设有丙酮滴注器、甲醇滴注器，先滴加甲醇，以排出炉腔内废气，然后滴加渗碳剂丙酮，在925℃±5℃状态下，甲醇、丙酮汽化并裂解，废气排出，碳势保持在1.1％±0.05％状态下，分解出的活性碳原子渗入到铬锰钼钒硅钢表面并向内扩散，达到饱和后生成合金碳化物，渗碳层深度可达1.5mm，表层含碳量可达2～3％，处于超饱和状态。

铬锰钼钒硅钢中的Cr、Mo、V、Si合金化作用的关键是：强碳化物形成元素Cr、Mo、V和非碳化物元素Si在渗碳过程中，Cr、Mo、V元素将积极、迅速与碳元素结合，有利于形成大量的合金碳化物，Si元素在晶界有偏析倾向，分布在晶界的Si可降低界面，能阻碍碳化物在晶界处形核，避免网状碳化物的形成，同时还可阻碍碳的扩散，减缓碳化物的长大速度，使碳化物颗粒细小，分布均匀，碳化物颗粒平均直径为D＝0.3～0.4μm，气体超饱和渗碳、淬火、油冷、回火、空冷、检测、分析、表征，要按步骤进行，保持工序的连续性。

气体超饱和渗碳的参数、数值、时间、温度，要严格控制，以保持操作和数据的准确性。

超饱和渗碳后产品试样要置于干燥的环境中，要防氧化，防酸碱浸蚀，要及时进行后续加工、形成最终产品。

图2所示，为井式气体渗碳炉结构图，炉座1的上部为炉体2，炉体2呈圆筒井式，炉体2内部为炉腔12，炉腔12内中间为零件座13，零件座13上部为料筐11，料筐11内为合金钢试棒10，炉体2的顶部为炉盖3，炉盖3上部设有丙酮滴加器4、甲醇滴加器5、排气孔9、循环风扇14，炉体2的外侧设有热电偶6、氧探头7，炉体2的右侧部设有电阻加热器8、喷焰咀15，氧探头7主要是测量炉腔12内的碳势气氛，热电偶6主要是测量炉腔12内的温度，排气孔9主要是排出废气，电阻加热器8控制炉腔内的温度升降。

图3所示，为气体超饱和渗碳工艺规范曲线图，图中可知，渗碳温度由室温升至925℃±5℃时相交于A点，恒温保温480min±10min，为AB区段，然后降温至830-840℃，相交于C点，为CD段，再油冷至室温，相交于E点，随后加热至170-180℃，相交于F点，为FG段，随后空冷至室温，相交于H点。

图4所示，为925℃±5℃渗碳、830-840℃油淬后试棒横切面显微组织图，图中可知：渗碳层碳化物颗粒弥散分布在马氏体和残余奥氏体构成的基体上，标尺单位为20μm。

图5所示，为925℃±5℃渗碳、830～840℃油淬后试棒横切面SEM照片，图中可知：渗碳层碳化物颗粒弥散分布在马氏体和残余奥氏体构成的基体上，标尺单位为20μm。

图6所示，为铬锰钼钒硅钢925℃±5℃渗碳、830～840℃油淬、170～180℃回火显微组织图，渗碳层碳化物颗粒弥散分布在回火马氏体和残余奥氏体构成的基体上，标尺单位为20μm。

Claims (5)

1.一种超饱和渗碳钢，其特征在于：使用的材料为：丙酮、甲醇、机油、合金钢试棒，其组合参数、量比如下：以毫升、毫米为计量单位

丙酮：CH₃COCH₃、10000ml±100ml

甲醇：CH₃OH、10000ml±100ml

机油：10000ml±100ml

合金钢试棒：Φ20×150mm

合金钢试棒化学元素成分、重量组合为：铬锰钼钒硅钢

铬：Cr      2.7～3.2％

锰：Mn      1.1～1.4％

钼：Mo      0.4～0.6％

钒：V       0.3～0.5％

硅：Si      0.7～0.9％

碳：C       0.18～0.38％

铁：Fe      92.98～95.62％

其它元素：0.06％ 它的和为100％

气体超饱和渗碳方法如下：

1)、机械加工铬锰钼钒硅钢试棒

将Φ20×150mm的铬锰钼钒硅钢试棒在车床上精车外圆、端面，表面粗糙度Ra0.32～0.64μm

2)、试棒表面不得有水分、油污、锈斑、伤痕、裂纹缺陷，并进行清理；

3)、清理井式渗碳炉

开启渗碳炉，用压缩空气清理渗碳炉内壁，清除污物、碳黑及杂质，使其洁净；

4)、置放铬锰钼钒硅钢试棒

  在井式渗碳炉中部的网状金属料筐内，垂直置放铬锰钼钒硅钢试棒；

5)、升温并向渗碳炉中滴加甲醇

①关闭渗碳炉炉盖，打开排气孔；

②渗碳炉升温，由室温升温至600℃～650℃时，开启循环风扇；

③继续升温至750℃～780℃时滴加甲醇，滴入速度120～140滴/min；

④在升温过程中，温度从750℃升至920℃之间，持续滴加甲醇，边滴加、边升温、边裂解、边排出废气，，在920℃保温30min，以便充分排出废气，排气结束后点燃喷焰咀；

在滴加甲醇过程中将发生化学反应，其反应式如下:

式中：

CO：一氧化碳

CO₂：二氧化碳

H₂O：水

CH₄：甲烷

6)、滴加渗碳剂丙酮、稀释剂甲醇、气体渗碳、直接淬火

①渗碳炉升温至925℃±5℃时，恒温保温480min±10min，炉内碳势保持在1.1％±0.05％；

②继续滴加甲醇，滴加速度100～110滴/min；

③滴加渗碳剂丙酮

碳势采用氧探头测定，并由碳势、温度智能控制器控制，通过自动控制电磁阀调整渗碳剂滴量，控制炉内碳势；

在滴加甲醇、丙酮过程中，甲醇、丙酮将汽化并裂解，在碳势1.1％±0.05％的状态下，进行气体渗碳，并进行化学反应，反应式如下:

④降温冷却，直接淬火

停止加热，当温度降至830-840℃，保温30min后停止滴加丙酮、甲醇，开炉取出试棒，将试棒快速直接置于机油中进行淬火，使其在机油中冷却至室温；

7)、回火处理

①将淬火后的试棒，放入回火炉中，在170～180℃温度下，保温180min；

②取出试棒，置于自然空气环境中冷却至室温；

8)、检测、分析、表征

①用金相显微镜分析观察，显微组织为：回火马氏体和残余奥氏体构成的基体上弥散分布的大量细小颗粒状合金碳化物，碳化物颗粒平均直径为D＝0.3～0.4μm；

②用显微硬度计测定渗碳层深度为1.5mm；

③用洛氏硬度计测量试棒表面硬度为HRC67～70；

④用剥层化学分析法，检测渗碳层碳浓度分布，表层含碳量为2～3％；

9)、存储

在渗碳后的试棒表面涂覆机油，用软质材料包装，置于干燥环境中保存。

2.根据权利要求1所述的一种超饱和渗碳钢，其特征在于：所述的超饱和渗碳钢是以铬锰钼钒硅钢为渗碳基体，铬锰钼钒硅钢化学元素成分、重量比为：

铬：  Cr    2.7～3.2％

锰：  Mn    1.1～1.4％

钼：  Mo    0.4～0.6％

钒：  V     0.3～0.5％

硅：  Si    0.7～0.9％

碳：  C     0.18～0.38％

铁：  Fe    92.98～95.62％

其它元素：  0.06％ 它的和为100％

3.根据权利要求1所述的一种超饱和渗碳钢，其特征在于：所述的气体超饱和渗碳，是以甲醇为稀释剂、以丙酮为渗碳剂、以机油为淬火冷却剂。

4.根据权利要求1所述的一种超饱和渗碳钢，其特征在于：所述的铬锰钼钒硅钢气体超饱和渗碳，渗碳炉炉腔温度由室温升温至925℃±5℃，滴加渗碳剂丙酮、稀释剂甲醇，恒温保温480min±10min，丙酮汽化并裂解，高温下渗入合金钢试棒表面，然后降温，当温度降至830～840℃，保温30min后，将试样直接快速置于机油中进行淬火，淬火后在机油中冷却至室温，在渗碳过程中，渗碳炉内碳势气氛保持在1.1％±0.05％。

5.根据权利要求1所述的一种超饱和渗碳钢，其特征在于：渗碳层深度为1.5mm，渗碳层含碳量为2～3％，显微组织为：回火马氏体和残余奥氏体构成的基体上弥散分布着大量细小颗粒状合金碳化物。

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