CN101967605B - 一种碳化物析出型稀土渗碳钢 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳化物析出型稀土渗碳钢，即铬锰硅钼稀土合金钢，用气体渗碳法渗碳，铬锰硅钼稀土合金钢试棒经煤油清洗后吊装在渗碳炉内，滴加渗碳剂异丙醇和稀释剂甲醇，在温度920℃±5℃、碳势Cp＝1.25％±0.05％、保温420min±10min状态下，碳原子自表面向内部扩散的同时，渗碳层中弥散析出平均直径为200nm的超细颗粒状合金碳化物，渗碳层深度达1.6mm，表层含碳量达2～3％，降温至840℃～850℃保温30min后，用5％PAG水溶液浸渍淬冷，经180℃±5℃低温回火，铬锰硅钼稀土合金钢渗碳层硬度达HV_0.11057，比现有技术硬度提高20％，耐磨性提高60％，大幅提高了工件表面的硬度、强度及耐磨性。

Description

一种碳化物析出型稀土渗碳钢

技术领域

本发明涉及一种碳化物析出型稀土渗碳钢，属稀土合金钢及渗碳方法的技术领域。 

背景技术

渗碳热处理是机械制造业中广泛应用的一种化学热处理，其目的是使工件获得高的表面硬度、强度及耐磨性，普通渗碳钢常规渗碳渗层表面含碳量为0.8％～1.0％，经淬火、低温回火处理后渗碳层的显微组织为：在回火马氏体和残余奥氏体所构成的基体上分布着碳化物。碳化物的数量、形态及分布对工件表面的硬度、强度及耐磨性起着至关重要的作用，为提高工件的力学性能，增加碳化物数量，采用在较高碳势条件下渗碳时，极易出现网状碳化物或粗大的角状碳化物，反而导致工件力学性能降低，如何进一步提高工件渗碳的质量和使用寿命，获得优越的渗层组织和力学性能，一直是材料热处理工作者潜心研究的课题。 

按照合金内氧化反应会析出强还原性合金元素氧化物的原理，通过合金化手段，提供一种碳化物析出型稀土渗碳钢，并对碳化物析出型稀土渗碳钢进行渗碳，在碳原子自表面向内部扩散的同时，在渗碳层中弥散析出合金碳化物，经淬火、低温回火后得到在回火马氏体和残余奥氏体所构成的基体上弥散分布着超细颗粒状合金碳化物的渗层组织，以大幅度提高工件表面的硬度、强度及耐磨性。 

发明内容

发明目的 

本发明的目的在于克服现有技术的不足，通过合金化手段，提供一种碳化物析出型稀土渗碳钢，即铬锰硅钼稀土合金钢，并进行渗碳，在碳原子自表面向内部扩散的同时，渗碳层中弥散析出平均直径为200nm的超细颗粒状合金碳化物，工件的渗碳层深度达1.6mm，表层含碳量达2～3％，淬火、低温回火后渗碳层显微组织为回火马氏体和残余奥氏体所构成的基体上弥散分布着超细颗粒状合金碳化物，以大幅提高工件表面的硬度、强度及耐磨性。

技术方案 

本发明使用材料为：铬锰硅钼稀土合金钢、异丙醇、甲醇、煤油、PAG淬火剂，其组合用量如下：以毫升、毫米为计量单位 

铬锰硅钼稀土合金钢毛坯：Φ28×163mm 

异丙醇：(CH₃)₂CHOH  1000ml±50ml 

甲醇：CH₃OH         2000ml±50ml 

煤油：CH₃(CH₂)_nCH₃  5000ml±100ml 

淬火剂：5％PAG水溶液20000ml±100ml 

铬锰硅钼稀土合金钢化学元素成份、重量组合比为： 

铬：Cr     3.3～4.0％ 

锰：Mn     0.3～0.8％ 

硅：Si     0.6～1.0％ 

钼：Mo     1.0～1.5％ 

混合稀土： RE 0.1～0.4％ 

铁：Fe     91.85～94.47％ 

碳：C      0.18～0.4％ 

其它元素： 0.05％ 

渗碳方法如下： 

(1)锻压铬锰硅钼稀土合金钢，成Φ25×160mm毛坯； 

(2)铬锰硅钼稀土合金钢毛坯正火处理：在正火炉内进行，正火温度880℃±5℃，保温30min±10min后，置于自然空气中冷却至25℃±5℃； 

(3)机械加工铬锰硅钼稀土合金钢试棒 

将铬锰硅钼稀土合金钢毛坯在车床上精车外圆、端面，加工至Φ20×150mm，各表面粗糙度Ra 1.6-3.2μm，在非工作端留有吊装环槽； 

(4)用煤油清洗铬锰硅钼稀土合金钢试棒表面，使其洁净，表面不得有油污、锈斑、水分； 

(5)清理、清洁渗碳炉 

打开渗碳炉，用压缩空气清理渗碳炉内壁，清除炉内炭黑、灰尘、污物及有害物质，使其洁净； 

(6)置放铬锰硅钼稀土合金钢试棒 

将试棒用铁丝捆绑后垂直悬挂于渗碳炉内，吊装牢固； 

(7)关闭渗碳炉盖，使其密闭，打开排气孔； 

(8)开启电阻加热器，渗碳炉温度升至600℃～650℃，开启渗碳炉内风扇； 

(9)渗碳 

①继续升温至750℃～760℃，开启甲醇滴量器，向炉内滴加甲醇，滴入速度20～30ml/min，甲醇在高温下裂解后气体体积膨胀，炉内废气从排气孔排出，随之点燃排气孔喷焰咀废气； 

②继续滴加甲醇、升温，温度升至920℃±5℃，并保温30min±10min，以便充分排出废气； 

③滴加渗碳剂异丙醇 

在恒温920℃±5℃、保温30min±10min后，把甲醇的滴入速度降为10～15ml/min，同时开启异丙醇滴量器，向炉内持续滴加异丙醇，由氧探头，碳势、温度智能控制仪控制异丙醇滴加速度，使炉内碳势持续保持在C_p＝1.25％±0.05％范围内，T＝920℃±5℃保温静置420min±10min； 

在高温状态下，异丙醇、甲醇裂解，进行气体渗碳，其化学反应如下： 

式中： 

CO：一氧化碳 

CO₂：二氧化碳 

H₂O：水蒸汽 

CH₄：甲烷 

恒温保温420min±10min后，调节加热器，温度降至840℃～850℃，保温30min±10min，停止滴加异丙醇、甲醇； 

(10)冷却 

关闭加热器，关闭炉内风扇，打开开合架、炉盖，取出试棒，快速置于盛有5％PAG水溶液的淬火槽内进行淬火冷却，并随淬火剂冷却至25℃±5℃； 

(12)低温回火 

将渗碳、淬火后的铬锰硅钼稀土合金钢试棒置于回火炉中，在180℃±5℃温度下，恒温保温180min±10min； 

(13)冷却 

将回火后的铬锰硅钼稀土合金钢试棒置于自然空气中冷却至25℃±5℃； 

(14)检测、分析、表征 

对渗碳后的铬锰硅钼稀土合金钢试棒表面的渗碳层深度、硬度、含碳量、显微组织进行检测、分析和表征； 

①用扫描电子显微镜分析观察渗碳层显微组织； 

②用显微硬度仪测量渗碳层深度； 

③用显微硬度仪进行表面硬度测量； 

④用剥层化学分析法测量渗碳层碳浓度分布、表层含碳量； 

结论：渗碳层显微组织：回火马氏体和少量残余奥氏体构成的基体上弥散分布着大量平均直径为200nm的超细颗粒状合金碳化物； 

渗碳层深度1.6mm； 

表面渗层硬度HV_0.11057； 

表层含碳量2～3％； 

(15)铬锰硅钼稀土合金钢试棒存放 

将渗碳后的稀土渗碳钢试棒表面涂覆防锈脂，用软质材料包装，储存于干燥、洁净环境，防潮、防酸碱盐侵蚀，储存温度25℃±5℃，相对湿度≤10％。 

有益效果 

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是为使工件获得更高的表面硬度、强度及耐磨性等技术要求，通过合理的合金化手段，提供一种碳化物析出型稀土渗碳钢-铬锰硅钼稀土合金钢，先对铬锰硅钼稀土合金钢锻压、机加工，然后在渗碳炉内进行气体渗碳，采用异丙醇为渗碳剂、甲醇为稀释剂、煤油为清洗剂、5％PAG水溶液为淬火剂，采用滴注式气体渗碳法，在920℃±5℃、碳势C_p＝1.25％±0.05％、保温420min±10min条件下，碳原子自铬锰硅钼稀土合金钢试棒表面向内部扩散的同时，渗碳层中弥散析出超细颗粒状合金碳化物，碳化物颗粒平均直径为200nm，渗碳层深度达1.6mm，渗碳层含碳量达2～3％，经渗碳淬火+低温回火处理后表面硬度达HV_0.11057，得到了理想的渗碳层组织，大幅提高了铬锰硅钼稀土合金钢试棒表面的硬度、强度及耐磨性，此碳化物析出型稀土渗碳钢和渗碳方法可在机械制造工业领域广泛应用。 

附图说明

图1为碳化物析出型稀土渗碳钢渗碳示意图 

图2为渗碳炉电控箱集成控制电路框图 

图3为试棒主视图 

图4为试棒侧视图 

图5为铬锰硅钼稀土合金钢过饱和渗碳淬火+低温回火渗碳层显微组 织图 

图中所示，附图标记清单如下： 

1、渗碳炉，2、炉座，3、炉盖，4、开合架，5、异丙醇滴量器，6、温度传感器，7、电阻加热器，8、氧探头，9、风扇，10、吊丝，11、阀，12、甲醇滴量器，13、阀，14、转动电机，15、试棒，16、压力表，17、排气管，18、阀，19、喷焰咀，20、电控箱，21、显示屏，22、指示灯，23、控制开关，24、导线，25、淬火槽，26、5％PAG水溶液；27、渗碳气体，28、炉腔。 

IC1、微计算机控制电路，IC2、液晶显示电路，IC3、信号指示电路，IC4、控制开关电路，IC5、风扇控制电路，IC6、电阻加热控制电路，IC7、温度传感器信息摄取电路，IC8、电压变换稳压整流电路，IC9、振荡器电路，IC10氧探头碳势信息摄取电路。 

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，为碳化物析出型稀土渗碳钢渗碳示意图，各部位置要正确，按序操作。 

渗碳使用的铬锰硅钼稀土合金钢试棒及其它材料是按预先设置的量值范围确定的，以毫升、毫米为计量单位。 

铬锰硅钼稀土合金钢试棒的渗碳是在渗碳炉内进行的，渗碳炉1的下部为炉座2、上部为炉盖3，并由开合架4控制开合；渗碳炉1的炉壁内为电阻加热器7；渗碳炉1的左侧部设有温度传感器6；渗碳炉1上部炉盖3上由左至右依次设有压力表16、甲醇滴量器12及阀11、异丙醇滴量器5及阀13、转动电机14及风扇9、吊丝10及试棒15、氧探头8、排气管17及阀18、喷焰咀19；渗碳炉1内的炉腔28内为渗碳气体27；渗碳炉1的左部为电控箱20，电控箱20上设有显示屏21、指示灯22、控制开关23，并由导线24与甲醇滴量器12、异丙醇滴量器5、转动电机14及风扇9、氧探头8、电阻加热器7、温度传感器6联接；渗碳炉1的 右部设有淬火槽25，淬火槽25内为5％PAG水溶液26。 

图2所示，为渗碳炉电控箱集成控制电路框图，电控箱控制电路由10个分电路组成整体电路，微计算机控制电路IC1通过导线与液晶显示屏电路IC2、信号指示电路IC3、控制开关电路IC4、风扇控制电路IC5、电阻加热控制电路IC6、温度传感器信息摄取电路IC7、电压变换稳压整流电路IC8、振荡器电路IC9、氧探头碳势信息摄取电路IC10联接。 

图3、4为铬锰硅钼稀土合金钢试棒结构图，非工作端部设有吊装环槽。 

图5为铬锰硅钼稀土合金钢过饱和渗碳淬火+低温回火渗碳层显微组织SEM图，a为表层显微组织，b为次表层显微组织，由图可知，渗碳层中超细颗粒状合金碳化物弥散分布在回火马氏体和残余奥氏体构成的基体上，。 

实施例1 

渗碳在渗碳炉内进行，渗碳炉各部处于准工作状态； 

将碳化物析出型稀土渗碳钢-30Cr4SiMoRE钢制冷拔钢管模具吊装于渗碳炉内，关闭渗碳炉，打开排气孔，开启电阻加热器，渗碳炉内温度升至600℃～650℃，开启渗碳炉内风扇，继续升温至750℃～760℃，开启甲醇滴量器，以20～30ml/min速度滴加甲醇，甲醇在高温下裂解后气体膨胀，炉内废气由排气孔排出，随之点燃排气孔喷焰咀废气，继续升温至920℃±5℃，保温30min充分排出废气后，甲醇滴加速度降至10～15ml/min，同时滴加异丙醇，由氧探头，碳势、温度智能控制仪控制异丙醇滴加速度，使炉内碳势持续保持在C_p＝1.25％+0.05％，温度920℃±5℃，保温静置420min±10min进行渗碳，随后温度降至840℃～850℃，保温30min±10min，停止滴加异丙醇、甲醇，开启炉盖后迅速将工件浸渍在5％PAG水溶液内淬冷至25℃±5℃，经180℃±5℃加热保温180min±10min低温回火处理后成最终产品；应用结果表明：其使用寿命比Cr12MoV钢制冷拔钢管模具的使用寿命提高了400％。 

Claims (3)

1.一种碳化物析出型稀土渗碳钢的渗碳方法，其特征在于：使用的材料为：铬锰硅钼稀土合金钢、异丙醇、甲醇、煤油、PAG淬火剂，其组合用量如下：以毫升、毫米为计量单位

铬锰硅钼稀土合金钢毛坯：Φ28×163mm

异丙醇：(CH₃)₂CHOH    1000ml±50ml

甲醇：CH₃OH           2000ml±50ml

煤油：CH₃(CH₂)nCH₃    5000ml±100ml

淬火剂：5％PAG水溶液  20000ml±100ml

铬锰硅钼稀土合金钢化学元素成份、重量组合比为：

铬：Cr        3.3～4.0％

锰：Mn        0.3～0.8％

硅：Si        0.6～1.0％

钼：Mo        1.0～1.5％

混合稀土：RE  0.1～0.4％

铁：Fe        91.85～94.47％

碳：C         0.18～0.4％

其他元素：    0.05％

渗碳方法如下：

(1)锻压铬锰硅钼稀土合金钢，成Φ25×160mm毛坯；

(2)铬锰硅钼稀土合金钢毛坯正火处理：在正火炉内进行，正火温度880℃±5℃，保温30min±10min后，空冷至25℃±5℃；

(3)机械加工铬锰硅钼稀土合金钢试棒

将铬锰硅钼稀土合金钢毛坯在车床上精车外圆、端面，加工至Φ20×150mm，各表面粗糙度Ra 1.6-3.2μm，在非工作端留有吊装环槽； 

(4)用煤油清洗铬锰硅钼稀土合金钢试棒表面，使其洁净，表面不得有油污、锈斑、水分；

(5)清理、清洁渗碳炉

打开渗碳炉，用压缩空气清理渗碳炉内壁，清除炉内炭黑、灰尘、污物及有害物质，使其洁净；

(6)置放铬锰硅钼稀土合金钢试棒

将试棒用铁丝捆绑后垂直悬挂于渗碳炉中间，吊装牢固；

(7)关闭渗碳炉盖，使其密闭，然后打开排气孔；

(8)开启电阻加热器，渗碳炉温度升至600℃～650℃，开启渗碳炉内风扇；

(9)渗碳

①继续升温至750℃～760℃，开启甲醇滴量器，向炉内滴加甲醇，滴入速度20～30ml/min，甲醇在高温下裂解气体后体积膨胀，炉内废气从排气孔排出，随之点燃排气孔喷焰咀废气；

②继续滴加甲醇、升温，温度升至920℃±5℃，并保温30min±10min，以便充分排出废气；

③滴加渗碳剂异丙醇

在恒温920℃±5℃、保温30min后，把甲醇的滴入速度降为10～15ml/min，同时开启异丙醇滴量器，向炉内持续滴加异丙醇，氧探头和碳势、温度智能控制仪控制异丙醇滴入速度，使炉内碳势持续保持在C_p＝1.25％±0.05％范围内，T＝920℃±5℃保温静置420min±10min；

在高温状态下，异丙醇、甲醇裂解，进行气体渗碳，其化学反应如下：

式中：

CO：一氧化碳 

CO₂：二氧化碳

H₂O：水蒸汽

CH₄：甲烷

恒温保温420min±10min后，调节加热器，温度降至840℃～850℃，保温30min±10min，停止滴加异丙醇、甲醇；

10)冷却

关闭加热器，关闭炉内风扇，打开开合架、炉盖，取出试棒，快速置于盛有5％PAG水溶液的淬火槽内进行淬火冷却，并随淬火剂冷却至25℃±5℃；

(12)回火

将渗碳淬火后的铬锰硅钼稀土合金钢试棒置于回火炉中，在180℃±5℃温度下，恒温保温180min±10min；

(13)冷却

将回火后的铬锰硅钼稀土合金钢试棒置于自然空气中冷却至25℃±5℃；

(14)检测、分析、表征

对渗碳后的铬锰硅钼稀土合金钢试棒的渗碳层深度、硬度、含碳量、显微组织进行检测、分析和表征；

①用扫描电子显微镜分析观察渗碳层显微组织：

②用显微硬度仪测量渗碳层深度；

③用显微硬度仪进行表面硬度测量；

④用剥层化学分析法测量渗碳层碳浓度分布、表层含碳量；

结论：渗碳层显微组织为：回火马氏体和少量残余奥氏体构成的基体上弥散分布着大量平均直径为200nm的超细颗粒状合金碳化物；

渗碳层深度1.6mm；

表面渗碳层硬度HV_0.11057； 

表层含碳量2～3％；

(15) 铬锰硅钼稀土合金钢试棒存放

将渗碳后的铬锰硅钼稀土合金钢试棒表面涂覆防锈脂，用软质材料包装，储存于干燥、洁净环境，防潮、防酸碱盐侵蚀，储存温度25℃±5℃，相对湿度≤10％。

2.根据权利要求1所述的一种碳化物析出型稀土渗碳钢的渗碳方法，其特征在于：所述的稀土渗碳钢渗碳是在渗碳炉内进行的，渗碳炉(1)的下部为炉座(2)、上部为炉盖(3)，并由开合架(4)控制开合；渗碳炉(1)的炉壁内为电阻加热器(7)；渗碳炉(1)的左侧部设有温度传感器(6)；渗碳炉(1)上部炉盖(3)上由左至右依次设有气压表(16)、甲醇滴量器(12)及阀(11)、异丙醇滴量器(5)及阀(13)、转动电机(14)及风扇(9)、吊丝10及试棒(15)、氧探头(8)、排气管(17)及阀(18)，排气管(17)上部为喷焰咀(19)；渗碳炉(1)内的炉腔(28)内为渗碳气体(27)；渗碳炉(1)的左部为电控箱(20)，电控箱(20)上设有显示屏(21)、指示灯(22)、控制开关(23)，并由导线(24)与异丙醇滴量器(5)、甲醇滴量器(12)、转动电机(14)及风扇(9)、氧探头(8)、电阻加热器(7)、温度传感器(6)联接；渗碳炉(1)的右部设有淬火槽(25)，淬火槽(25)内为5％PAG水溶液(26)。

3.根据权利要求1所述的一种碳化物析出型稀土渗碳钢，其特征在于：所述的渗碳炉电控箱的集成控制电路，由10个分电路组成整体电路，微计算机控制电路IC1通过导线与液晶显示屏电路IC2、信号指示电路IC3、控制开关电路IC4、风扇控制电路IC5、电阻加热控制电路IC6、温度传感器信息摄取电路IC7、电压变换稳压整流电路IC8、振荡器电路IC9、氧探头碳势信息摄取电路IC10。 

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