CN101418451A - 碳氮共渗-深层稀土硼碳氮共渗复合热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳氮共渗－深层稀土硼碳氮共渗复合热处理工艺，它包括：(一)碳氮共渗：工件装入渗碳炉，升温至800℃，按180d/min滴甲醇排气；升温至880－920℃，按180d/min加滴煤油40分钟；装入随炉试棒，停滴甲醇，煤油滴入速度降为120d/min；当试棒渗碳层达到0.9mm时，向炉内通入供氮剂，同时随炉降温，炉温到850－880℃时，煤油滴入速度为100d/min，并保温2.5h进行碳氮共渗；(二)深层稀土硼碳氮共渗：清理工件；渗剂装入渗箱中，将仍处于高温的工件埋入渗剂中密封渗箱；炉温升至880－950℃，将渗箱装炉保温5－10h；炉温降至880℃出炉；(三)淬火、回火。该工艺可用于粮机压辊、耐火砖模具、石油钻头等高硬度、高冲击、磨损量较大工件的处理。
Description
技术领域
本发明涉及化学热处理工艺，尤其是涉及一种碳氮共渗-深层稀土硼碳氮共渗复合热处理工艺。
背景技术
渗硼工艺在工件表面形成的硼化物层具有高的硬度和良好的耐磨性等优点，被广泛应用于各种工模具及耐磨工件的热处理工艺上，由于渗硼层脆性大，易剥落等缺点，制约着渗硼工艺技术的推广应用。为改善渗硼层的脆性，人们进行了多种工艺方法的探讨，但是现有的渗硼工艺和硼碳氮共渗工艺仍存在渗层较浅、硬度梯度比较陡、容易产生剥落等不足，渗层组织及性能还有待于进一步改善，而碳氮共渗工艺又存在着渗层硬度较低等不足。深层稀土硼碳氮共渗工艺克服了一般渗硼工艺、硼碳氮共渗工艺渗层较浅的问题，经其热处理过的工件在没有强烈冲击振动的工况下可以显著提高工件的使用寿命。但是在存在强烈冲击振动的工况下使用时，由于表层高硬度的深层稀土硼碳氮共渗层与低硬度基体之间的硬度差别很大，低硬度基体不能够为高硬度表层提供有力支撑，常导致高硬度表层的剥落，使工件的使用寿命降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能减缓渗层硬度梯度、有效避免高硬度渗层剥落的碳氮共渗-深层稀土硼碳氮共渗复合热处理工艺。
为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：
本发明所述的碳氮共渗-深层稀土硼碳氮共渗复合热处理工艺，它包括下述步骤：
第一阶段：碳氮共渗
第一步：对工件清理后装入渗碳炉；
第二步：渗碳炉升温至800℃时，按速度180d/min滴甲醇排气；
第三步：继续升温至880-920℃时，按速度180d/min加滴煤油40分钟以调整炉内气氛；
第四步：关闭排气孔并装入随炉试棒，停滴甲醇，煤油滴入速度降为120d/min；
第五步：当试棒渗碳层深度达到0.9mm时，向炉内通入供氮剂，速度为0.18m3/h，供氮剂占炉气的体积比例为43％，同时随炉降温，当炉温冷却到850-880℃时，煤油滴入速度再减为100d/min，并保温2.5h进行碳氮共渗处理后工件出炉；
第二阶段：深层稀土硼碳氮共渗
第一步：清理经第一阶段处理后出炉的工件表面；
第二步：将渗剂装入渗箱中，将出炉后仍处于高温下的工件埋入渗剂中后用石棉绳、耐火泥密封渗箱；
第三步：炉温升至880-950℃，将渗箱装炉并保温5-10h；
第四步：炉温降至880℃，出炉；
第三阶段：淬火、回火
第一步：对第二阶段结束后从880℃渗箱中取出的工件进行迅速清理后放入淬火油中进行淬火，淬火温度为820-860℃；
第二步：将淬火后的工件在180-240℃温度下进行回火。
所述第一阶段第五步中的供氮剂为甲醇、氨气、甲酰胺、尿素、三乙醇胺。
所述第二阶段中所用渗剂的配比为：碳化硼4-10份，氟硼酸钾3-9份，氯化稀土3-11份，氟化钠1-3份，活性炭1-5份，尿素1-5份，木炭粉2-10份，碳化硅50-80份。
本发明的优点在于采用这种复合热处理工艺可以克服现有碳氮共渗工艺、稀土硼碳氮共渗工艺的不足，工件经第一阶段处理可以使碳氮共渗层层深达到1.50mm-2.50mm，经第二阶段处理后可以使稀土硼碳氮共渗层层深达到0.20mm-1.20mm，工件自表面到心部由三层构成，依次为深层稀土硼碳氮共渗层—碳氮共渗层—基体；与深层稀土硼碳氮共渗工艺相比较，在工件的稀土硼碳氮共渗高硬度表层与低硬度基体之间增加了一层硬度介于两者之间的碳氮共渗层，显著缓解了从高硬度表层到低硬度基体之间的硬度梯度，有效避免了高硬度稀土硼碳氮共渗层的剥落，不仅可以适用于更恶劣的工况，扩大深层稀土硼碳氮共渗工艺的应用范围，还可以提高工件的使用寿命，同时稀土进入渗层，使渗层的组织和性能得到一定的改善。该工艺可以应用于粮机压辊、耐火砖模具、石油钻头等要求高硬度、能够承受冲击、允许磨损量较大的工件，并且还可以应用于铝合金热挤压模等要求良好红硬性的工件。
附图说明
图1是本发明碳氮共渗-深层稀土硼碳氮共渗复合处理与深层稀土硼碳氮共渗处理的硬度梯度曲线对比图。
图2是经深层稀土硼碳氮共渗处理后工件的渗层图。
图3是经碳氮共渗处理后工件的渗层图。
图4是经碳氮共渗-深层稀土硼碳氮共渗复合处理后工件的渗层图。
具体实施方式
本发明所述的碳氮共渗-深层稀土硼碳氮共渗复合热处理工艺，它包括下述步骤：
第一阶段：碳氮共渗
第一步：对工件清理后装入渗碳炉；
第二步：渗碳炉升温至800℃时，按速度180d/min滴甲醇排气；
第三步：继续升温至880-920℃时，按速度180d/min加滴煤油40分钟以调整炉内气氛；
第四步：关闭排气孔并装入随炉试棒，停滴甲醇，煤油滴入速度降为120d/min；
第五步：当试棒渗碳层深度达到0.9mm时，向炉内通入氨气，速度为0.18m3/h，氨气占炉气的体积比例为43％，同时随炉降温，当炉温冷却到850-880℃时，煤油滴入速度再减为100d/min，并保温2.5h进行碳氮共渗处理后工件出炉；
第二阶段：深层稀土硼碳氮共渗
第一步：清理第一阶段处理后出炉的工件表面；
第二步：将渗剂装入渗箱中，将出炉后仍处于高温下的工件埋入渗剂中后用石棉绳、耐火泥密封渗箱；
第三步：炉温升至880-950℃，将渗箱装炉并保温5-10h；
第四步：炉温降至880℃，出炉；
第三阶段：淬火、回火
第一步：对第二阶段结束后从880℃渗箱中取出的工件进行迅速清理后放入淬火油中进行淬火，淬火温度为820-860℃；
第二步：将淬火后的工件在180-240℃温度下进行回火。
在第一阶段中所使用的供氮剂为氨气，也可以为甲酰胺、尿素、三乙醇胺，当然不局限于上述几种，首选氨气在于其价格低廉，使用效果好，且工艺简单。
在第二阶段中所使用渗剂的配比为：碳化硼4-10份，氟硼酸钾3-9份，氯化稀土3-11份，氟化钠1-3份，活性炭1-5份，尿素1-5份，木炭粉2-10份，碳化硅50-80份。
从图1中可看出，经本发明碳氮共渗-深层稀土硼碳氮共渗复合处理后工件的硬度梯度要比经深层稀土硼碳氮共渗处理后工件的硬度梯度曲线显著平缓。
从图2中可以看出，经深层稀土硼碳氮共渗处理后工件的渗层：心部白色为基体，其外侧灰色为稀土硼碳氮共渗层。共渗层主要成分为Fe2B，经显微镜放大后为银白色指状组织。表层稀土硼碳氮共渗层的硬度为1800HV-2300HV，基体硬度一般为400HV-600HV，硬度梯度比较陡，基体不能够为高硬度表层提供强力支撑，在强烈冲击振动工况下易导致表层稀土硼碳氮共渗层的剥落。
从图3中可以看出，经碳氮共渗处理后工件的渗层：心部灰色为基体，其外侧黑色层为碳氮共渗层。表层碳氮共渗层的硬度一般为700HV-900HV，基体硬度一般为400HV-600HV。由于表层硬度较低，使用寿命受到影响。
从图4中可以看出，经本发明碳氮共渗-深层稀土硼碳氮共渗复合处理后工件的渗层：中间白的为基体，外面灰色的是碳氮共渗层，再往外面是深层稀土硼碳氮共渗层。实质上是在高硬度深层稀土硼碳氮共渗层与低硬度基体之间增加一层碳氮共渗层，一方面对高硬度表层提供有力支撑，另一方面减缓了硬度梯度，有效避免了高硬度表层的剥落。
上述图2、3、4均为数码相机拍摄，深层稀土硼碳氮共渗层应为银白色，因为其外侧是牙托粉与牙托水混合物颜色的反光，略带金黄色。
Claims (3)
1、一种碳氮共渗-深层稀土硼碳氮共渗复合热处理工艺，其特征在于：它包括下述步骤：
第一阶段：碳氮共渗
第一步：对工件清理后装入渗碳炉；
第二步：渗碳炉升温至800℃时，按速度180d/min滴甲醇排气；
第三步：继续升温至880-920℃时，按速度180d/min加滴煤油40分钟以调整炉内气氛；
第四步：关闭排气孔并装入随炉试棒，停滴甲醇，煤油滴入速度降为120d/min；
第五步：当试棒渗碳层深度达到0.9mm时，向炉内通入供氮剂，速度为0.18m3/h，供氮剂占炉气的体积比例为43％，同时随炉降温，当炉温冷却到850-880℃时，煤油滴入速度再减为100d/min，并保温2.5h进行碳氮共渗处理后工件出炉；
第二阶段：深层稀土硼碳氮共渗
第一步：清理第一阶段处理后出炉的工件表面；
第二步：将渗剂装入渗箱中，将出炉后仍处于高温下的工件埋入渗剂中后用石棉绳、耐火泥密封渗箱；
第三步：炉温升至880-950℃，将渗箱装炉并保温5-10h；
第四步：炉温降至880℃，出炉；
第三阶段：淬火、回火
第一步：对第二阶段结束后从880℃渗箱中取出的工件进行迅速清理后放入淬火油中进行淬火，淬火温度为820-860℃；
第二步：将淬火后的工件在180-240℃温度下进行回火。
2、根据权利要求1所述的碳氮共渗-深层稀土硼碳氮共渗复合热处理工艺，其特征在于：所述第一阶段第五步中的供氮剂为甲醇、氨气、甲酰胺、尿素或三乙醇胺。
3、根据权利要求1所述的碳氮共渗-深层稀土硼碳氮共渗复合热处理工艺，其特征在于：所述第二阶段中所用深层稀土硼碳氮共渗渗剂的配比为：碳化硼4-10份，氟硼酸钾3-9份，氯化稀土3-11份，氟化钠1-3份，活性炭1-5份，尿素1-5份，木炭粉2-10份，碳化硅50-80份。
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