CN103556103B

CN103556103B - 一种防渗碳材料及其制备方法

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Publication number: CN103556103B
Application number: CN201310462197.6A
Authority: CN
Inventors: 叶汉龙
Original assignee: Fujian Longxi Bearing Group Co Ltd
Current assignee: Fujian Longxi Bearing Group Co Ltd
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2033-09-30
Also published as: CN103556103A

Abstract

本发明公开了一种防渗碳材料，其包括以下质量百分含量的组份：铁粉81.5-86.5%；铜粉13.0-18.0%；石墨粉≤0.5%。防渗碳材料的制备方法包括：1）称料；2）将铁粉、石墨粉和润滑剂混合均匀；3）铁基毛坯压制；4）铜粉件的压制；5）烧结：将铜粉件置于铁基毛坯上放入烧结炉内，在温度为1090-1140℃下，烧结20-50min得到所述的防渗碳材料。本发明的防渗材料不仅可有效使不希望被渗碳的部位达到防渗效果，而不会对不希望被渗碳的部位的硬度造成影响，工件的表观硬度不超过工件在没有渗碳气氛下的热处理硬度；工件渗碳处理后，无需进行去除防渗涂料或氧化皮的操作，大大降低了劳动强度，提高了生产效率，降低了生产成本。

Description

一种防渗碳材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及防渗材料，尤其涉及一种防渗碳材料及其制备方法。

背景技术

许多机械零件结构复杂（如齿轮轴中有花键、螺纹、齿轮），表面需要进行渗碳处理，但有些部位（如螺纹）不能被渗碳，希望保持原有的调质或正火状态，否则会影响使用性能（如脆断），造成不可预估的功能下降或丧失。因此需要保护，对这些不希望被渗碳的部位进行防渗碳保护处理。

目前防渗碳处理大多是在不希望被渗碳的部位涂覆防止渗碳的涂料，该工艺特点是：零件在渗碳前需在不希望被渗碳的部位涂覆防渗碳涂料，然后进行渗碳淬火，最后还需将表面的涂料清除。所使用的防渗碳涂料在热处理后一般不易清除，而且不能阻止被保护的部位即不希望被渗碳的部位硬度偏高（可达HRC50）；同时，防渗碳涂料属于一次性使用，会污染淬火设备和环境。该工艺还存在以下缺点：

1、防渗碳涂料涂覆不均匀，特别是当不希望被渗碳的部位具有形状复杂的表面和较细小的缝隙（如螺纹）时，往往会造成不能对不希望被渗碳的部位的有效保护；如果涂抹过多防渗碳涂料则易造成热处理后去除困难；如果涂抹过少防渗碳涂料，易造成不能有效防止渗碳，这样被保护的部位（不希望被渗碳的部位）会不同程度渗碳，在后期使用过程中容易造成该部位易脆裂，进而使整个零件失效；

2、易造成不希望被渗碳的部位在热处理后表面硬度偏高，比热处理前提高10HRC左右，有时可达50HRC；

3、在热处理后，必须清除防渗碳涂料。若未有效去除防渗碳涂料，造成凹陷处残留，不能确保该凹陷处的使用尺寸，成品率较低，而且去除防渗碳涂料会增加加工成本。

4、有时需采用手工涂抹防渗碳涂料，效率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、具备良好防渗性能的防渗碳材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：一种防渗碳材料，其包括以下质量百分含量的组份：

铁 81.5-86.5%；

铜 13.0-18.0%；

碳 ≤0.5%。

本发明中，所述的防渗材料的密度7.3-7.6g/cm³，表观硬度HRB≥60，抗拉强度≥320MPa；经渗碳处理后，其表观硬度HRC≥18，抗拉强度≥620MPa。

本发明所述的防渗碳材料的制备方法包括以下步骤：

1）称料：先按配方以下称取铁粉、铜粉、石墨粉和润滑剂；

铁粉 81.5-86.5%；

铜粉 13.0-18.0%；

石墨粉 ≤0.5%；

润滑剂 0.3-0.5%。

其中，铁粉、铜粉、石墨粉、润滑剂均为市售产品，2）混粉：将铁粉、石墨粉和润滑剂加入混粉机中混合均匀，所述加入的润滑剂的质量为所述防渗碳材料总质量的0.3-0.5%，混合均匀后，再静置10-24h，备用；

3）铁基毛坯压制：将步骤2）混合均匀的粉末加入模具中，在压力为400-650MPa下，压制成型得到铁基毛坯，该铁基毛坯与渗碳介质接触的区域即“有效防渗层”密度为6.2-6.6g/cm³，厚度为1.5-7mm；该铁基毛坯未与渗碳介质接触的区域即“非有效防渗层”密度为6.4-6.8g/cm³，厚度为0-10mm；

4）铜粉件的压制：将铜粉装入另一模具中，压制成铜粉件；

5）烧结：将铜粉件置于铁基毛坯上，一同放入烧结炉内，在温度为1090-1140℃下，烧结20-50min，铜粉件熔化成铜液，并渗入铁基毛坯中，烧结完毕，冷却至室温，得到所述的防渗碳材料。

本发明采用以上的制备方法，在步骤3）压制过程中，通过对压制工艺的控制，使制备的铁基毛坯与渗碳介质接触的区域即“有效防渗层”的密度为6.2-6.6g/cm³，该铁基毛坯未与渗碳介质接触的区域即“非有效防渗层”密度为6.4-6.8g/cm³，使制备的铁基毛坯内外层密度不一样；然后，再通过步骤5）的烧结工序，将铜粉件熔化成铜液，通过毛细作用力，铜液缓慢渗入铁基毛坯中；同时，铁基毛坯在烧结炉中发生化学扩散，组织变化，然后在烧结炉中冷却至室温。冷却过程中，铜液凝固于铁基毛坯中。由于步骤2）压制的铁件毛坯的“有效防渗层”密度低，铁件毛坯孔隙体积比例较大，更多的铜液渗透到该层中；因此铜液在该层形成高含量的网状铜层分布。在渗碳处理时，该层与渗碳介质接触，从而对不希望被渗透的部位起到防渗碳作用。

另一方面，由于步骤2）压制的铁基毛坯的“非有效防渗层”密度高，渗入该层的铜液少。

所述步骤1）中，将铁粉、石墨粉和润滑剂混合均匀后再静置10-24h，是为了使混合后的粉末中的空气逸出，使粉末的密度更加稳定，便于下一步进行压制时装料重量稳定。

所述步骤3）的铁基毛坯压制过程中，所选用的模具的尺寸和形状根据渗碳处理零件需防渗碳部位的结构和尺寸决定的。

所述步骤2）中的润滑剂为硬脂酸锌或其它固体润滑剂。

所述步骤5）中，润滑剂（如硬脂酸锌）先分解、再烧除、最后排出炉外。

所述步骤3）中，为了得到“有效防渗层”和“非有效防渗层”的不同密度，可采用两种控制方式：分模冲压制技术和单模冲压制技术。分模冲压制技术适合于压制产品的不同密度层的厚度在2.0-2.5mm以上；单模冲压制技术适合于压制产品的不同密度层的厚度在2.0mm以下。

其中，分模冲压制技术通过采用两个以上的冲模，控制不同密度层的装粉高度及压制速率和压缩比，得到不同层密度的铁件毛坯。其具体的装粉和压制过程具体为：

1、装粉：在装粉状态“有效防渗层”和“非有效防渗层”具有不同装粉比例，这就需要不同模冲在不同位置才能实现，也就是“分模冲”。若压制产品中具有2层密度不一样，则需要2个模冲；若压制产品中具有3层密度不一样，则需要3个模冲，依此类推；

举例说明：若铁基毛坯具有两层密度不同，分别为“有效防渗层”和“非有效防渗层”，但两层高度一样，假设“有效防渗层”高度Hy，“非有效防渗层”高度Hn；Hy＝Hn＝20mm，设定粉末的松装密度为2.8g/cm³，“有效防渗层”的密度为6.4g/cm³，“非有效防渗层”的密度为6.6g/cm³，则“有效防渗层”的装粉比例K1＝6.4/2.8＝2.286，非有效防渗层的装粉比例K2＝6.6/2.8＝2.357；经计算有效防渗层的装粉高度H1＝20*2.286＝45.72mm，非有效防渗层的装粉高度H2＝20*2.357＝47.14mm，两者相差1.42mm。

2、压制：在压制状态“有效防渗层”和“非有效防渗层”具有不同压制速率和压缩比，需要“分模冲”才能实现。

具体为：装粉状态的H1和H2是不相等的，但在压制完毕后，高度一致(Hy＝Hn＝20mm)；压制过程的时间（t）是相同的，显然压制速率不一样（H1-Hy）/t≤（H2-Hn）/t；两者的压缩比也不相同（H1/Hy≤H2/ Hn）。

另外，单模冲压制技术通过控制不同的装粉高度和压缩比，得到不同层密度的铁件毛坯。其具体的装粉和压制过程具体为：

1、装粉：在装粉状态“有效防渗层”和“非有效防渗层”具有不同装粉比例，但因只有一个模冲，因此模冲的压制端面设有凸台，凸台的高度对应不同的装粉比例，是“变相的分模冲”。若压制产品中具有2层密度不一样，需要1个凸台；若压制产品中具有3层密度不一样，需要2个凸台，依此类推；

举例说明：若铁基毛坯具有两层密度不同，分别为“有效防渗层”和“非有效防渗层”，两层高度不一样，相差凸台的高度(h)，假设“有效防渗层”高度Hy＝20mm；则“非有效防渗层”Hn＝Hy-h；如粉末的松装密度为2.8 g/cm³，“有效防渗层”的密度为6.4g/cm³，“非有效防渗层”的密度为6.6g/cm³，那么有效防渗层的装粉比例K1＝6.4/2.8＝2.286，非有效防渗层的装粉比例K2＝6.6/2.8＝2.357；经计算“有效防渗层”的装粉高度H1＝20*2.286＝45.72mm，“非有效防渗层”的装粉高度H2＝20*2.286-h＝（20-h）* 2.357，经计算h＝1.05mm，H2＝44.67mm。

2、压制：在压制状态“有效防渗层”和“非有效防渗层” 使用单模冲具有相同的压制速率，但不同层具有不同的压缩比。

因装粉状态的H1和H2不相等，但在压制完毕后，高度并不相同 ( Hn＝Hy-h);因压制过程的时间（t）相同，显然压制速率一样（H1-Hy）/t＝（H2- Hn）/t；两者的压缩比不一样（H1/Hy≤H2/Hn）。

通过以上的操作，使制备的铁基毛坯与与渗碳介质接触的区域即“有效防渗层”的密度为6.2-6.6g/cm³，该铁基毛坯未与渗碳介质接触的区域即“非有效防渗层”的密度为6.4-6.8g/cm³，起到提高整体强度和降低成本的作用。

所述步骤5）得到的防渗碳材料，进行尺寸精加工，得到防渗碳零件。另外，还需确定与渗碳处理零件需防渗碳部位的装配工艺。例如，如需要防渗碳保护的部位为螺纹，防渗碳零件可以直接与需防渗碳保护的零件进行螺纹连接，也可以通过外在连接方式进行联接。

本发明的防渗材料不仅可有效使不希望被渗碳的部位达到防渗效果，而且不会对不希望被渗碳的部位的硬度造成影响即工件不希望被渗碳的部位的表观硬度不会超过工件在没有渗碳气氛下的热处理硬度；工件渗碳处理后，不希望被渗碳的部位无需进行去除防渗涂料或氧化皮的操作，大大降低了劳动强度，提高了生产效率，降低了生产成本。另外，本发明防渗碳材料制备的防渗碳零件可重复使用30次以上，可进一步降低成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为装粉状态的铁基毛坯；

图2为压制形成的防渗碳材料；

图3为加工后的防渗碳零件；

图4为实施例2中需渗碳保护的齿轮轴工件的局部图；

图5为防渗碳零件与齿轮轴的配合图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

本发明一种防渗碳材料，其包括以下质量百分含量的组份：

铁 81.5-86.5%；

铜 13.0-18.0%；

碳 ≤0.5%。

所述的防渗材料的密度7.3-7.6g/cm³，表观硬度HRB≥60，屈服强度≥150MPa。

本发明所述的防渗碳材料的制备方法包括以下步骤：

1）称料：先按配方以下称取铁粉、铜粉、石墨粉和润滑剂；

铁粉 81.5-86.5%；

铜粉 13.0-18.0%；

石墨粉 ≤0.5%；

润滑剂 0.3-0.5%。

2）混粉：将铁粉、石墨粉和硬脂酸锌加入混粉机中混合均匀，所述加入的硬脂酸锌的质量为所述防渗碳材料总质量的0.3-0.5%，混合均匀后，再静置10-24h，备用；

3）铁基毛坯压制：将步骤2）混合均匀的粉末加入模具中，在压力为400-650MPa下，压制成型得到铁基毛坯，该铁基毛坯与渗碳介质接触的区域即“有效防渗层”的密度为6.2-6.6g/cm³，厚度为1.5-7mm；该铁基毛坯未与渗碳介质接触的区域即“非有效防渗层”的密度为6.4-6.8g/cm³，厚度为0-10mm；

4）铜粉件的压制：将铜粉装入另一模具中，压制成铜粉件；

5）烧结：将铜粉件置于铁基毛坯上，一同放入烧结炉内，在温度为1090-1140℃下，烧结20-50min，铜粉件熔化成铜液，并渗入铁基毛坯中，烧结完毕，冷却至室温，得到所述的防渗碳材料；

6）加工：将步骤5）得到的防渗碳材料进行尺寸精加工，得到防渗零件。

实施例1（防渗材料的总重量为100g）

本发明所述的防渗碳材料（铁81.5%+铜18%+石墨粉0.5%）的制备方法包括以下步骤：

1）称料：先按以下配方称取铁粉、铜粉、石墨粉和润滑剂；

铁粉 81.5g；

石墨粉 0.5g；

铜粉 18g；

润滑剂 0.3g；

2）混粉：将铁粉、石墨粉和润滑剂硬脂酸锌加入混粉机中混合均匀，所述加入的硬脂酸锌的质量为所述防渗碳材料总质量的0.3%，混合均匀后，再静置12h，备用；

3）铁基毛坯压制：将步骤2）混合均匀的粉末加入模具中，在压力为480MPa下，压制成型得到铁基毛坯，该铁基毛坯与渗碳介质接触的区域即“有效防渗层”的密度为6.2g/cm³，厚度为7mm；该铁基毛坯未与渗碳介质接触的区域即“非有效防渗层”的密度为6.4g/cm³，厚度为10mm；

4）铜粉件的压制：将铜粉装入另一模具中，压制成铜粉件；

5）烧结：将铜粉件置于铁基毛坯上，一同放入烧结炉内，在温度为1090-1140℃下，烧结50min，铜粉件熔化成铜液，并渗入铁基毛坯中，烧结完毕，冷却至室温，得到所述的防渗碳材料；

实施例2 （防渗材料的总重量为600g）

本发明所述的防渗碳材料（铁84.6%+铜15%+石墨粉0.4%）的制备方法包括以下步骤：

1）称料：先按以下配方称取铁粉、铜粉、石墨粉和润滑剂；

铁粉 507.6g；

石墨粉 2.4g；

铜粉 90g；

润滑剂 2.4g；

2）混粉：将铁粉、石墨粉和润滑剂硬脂酸锌加入混粉机中混合均匀，所述加入的硬脂酸锌的质量为所述防渗碳材料总质量的0.4%，混合均匀后，再静置24h，备用；

3）铁基毛坯压制：将步骤2）混合均匀的粉末加入模具中，在压力为500MPa下，压制成型得到铁基毛坯，为了得到“有效防渗层”和“非有效防渗层”的不同密度，使用分模冲压制技术，分模冲压制技术的装粉和压制过程具体为：

1、装粉：在装粉状态“有效防渗层”和“非有效防渗层”具有不同装粉比例，这就需要不同模冲在不同位置才能实现。假定铁基混合粉末的松装密度为2.8 g/cm³。

①、如图1所示，该铁基毛坯1的截面为开口向下的U型，U型两边外侧2为A区，中心3为C区，A区2与C区3之间为B区4，其中，A区2为“有效防渗层”，其下方设有一冲模21，B区4为“非有效防渗层”，其下方设有另一冲模41，C区3部分为有效防渗层，另一部分为非有效防渗层，C区下方还设有一个冲模31；铁基毛坯高度A区高度Ha＝46mm，B区高度Hb＝40.5+5.5＝46mm ，C区高度Hc＝5.5+2.5＝8mm。

②、其中，有效防渗层的密度控制为6.3 g/cm³，其装粉比为K1=6.3/2.8=2.250；“非有效防渗层”的密度控制为6.6 g/cm³,其装粉比为K2=6.6/2.8=2.357；

③、装粉高度计算：如图1所示，A区装粉高度HA=46*2.25=103.50mm，B区装粉高度HB＝40.5*2.357+5.5*2.25＝107.83mm，C区装粉高度HC＝5.5*2.25+2.5*2.357＝18.37mm。

2、压制：在压制状态“有效防渗层”和“非有效防渗层”具有不同压制速率和压缩比，这就需要不同模冲才能实现。在压制结束后，两层高度一致Ha＝Hb＝46mm。

该铁基毛坯与渗碳介质接触的区域即“有效防渗层”的密度为6.3g/cm³，厚度为5.5mm；该铁基毛坯未与渗碳介质接触的区域即“非有效防渗层”为密度为6.6g/cm³，不同区域有不同的厚度，约为2.5-5.75mm；

4）铜粉件的压制：将铜粉装入另一模具中，压制成铜粉件；

5）烧结：将铜粉件置于铁基毛坯上，一同放入烧结炉内，在温度为1090-1140℃下，烧结30min，铜粉件熔化成铜液，并渗入铁基毛坯中，烧结完毕，冷却至室温，得到如图2所示的防渗碳材料5，该防渗碳材料的截面为倒U型，倒U型两边和上部51（网状剖面线）为“有效防渗层”，倒U型两边内侧52（斜线剖面线）为“非有效防渗层”；

根据需被保护的齿轮轴零件，压制铁基毛坯时采用合适尺寸和形状的模具，加工后的防渗碳零件7如图3所示，该防渗碳零件的截面为倒U型，U型两边外侧71及上部（网状剖面线）为“有效防渗层”，U型两边内侧72（斜线剖面线）为“非有效防渗层”，这样的分层有利于提高防渗碳零件整体的强度和降低材料成本。防渗碳材料经过精加工后，得到的防渗碳零件的倒U型腔内的尺寸完全与齿轮轴需防渗碳保护部位相匹配。

在实施例2中，齿轮轴6的局部图如图4所示。该齿轮轴的材料为30CrMnTi，渗碳硬度为HRC 57-62，渗碳层深度大于0.7mm。不希望被渗碳的螺纹部位硬度不能超过HRC 40(HV396)；该齿轮轴渗碳处理前正火硬度为HRC22-28。如图5所示，在渗碳处理过程中，将防渗碳零件7套通过螺纹紧固在齿轮轴6需防渗碳的部位外。防渗碳零件7与齿轮轴6接触的面均为齿轮轴需防渗碳的部位，如图4所示，为方框内的区域。

本实施例防渗零件的使用方法为：

1、将本实施例的防渗碳零件与需防渗碳保护的待渗碳零件（齿轮轴）装配在一起，确保装配牢固和有效防止渗碳；

2、将组合件一起装炉经历渗碳、淬火、回火等热处理工艺流程；

3、热处理完毕，将防渗碳零件拆下；

4、再次使用时，将拆下的防渗碳零件和其他的待渗碳齿轮轴装配在一起，进入另一个热处理过程；

5、防渗碳零件可以多次循环使用。

当经渗碳处理后对齿轮轴零件和防渗碳零件进行检测，结果如下：

齿轮轴零件中有防渗碳保护的部位（螺纹）经过金相观察没有明显的渗碳层存在，同时，如图3所示，检测齿轮轴D端面距离外径在0.2mm内的圆周边上均匀分布的三点，测试点的硬度值HV≤396；再测试齿轮轴E端面距离外径在0.2mm内的圆周边上均匀分布的三点，测试点的硬度值HV≤396。从而可看出，本实施例的防渗碳材料可有效对被保护部位起到防渗碳作用，经过渗碳处理后，渗碳处理的工件被保护部位的硬度能满足技术要求。

另外，防渗碳零件经过金相观察没有明显的渗碳层存在，如图3所示，检测防渗碳零件下端面F（即倒U型开口的端面）的硬度值为HRC≤30，从而说明了经渗碳处理后，本实施例的防渗碳零件本身也没有被渗碳。

Claims

1.一种防渗碳材料的制备方法，其特征在于：所述防渗碳材料包括以下质量百分含量的组份：铁 81.5-86.5%；

铜 13.0-18.0%；

碳 ≤0.5%；所述制备方法包括以下步骤：

1）称料：先按配方以下称取铁粉、铜粉、石墨粉和润滑剂；

铁粉 81.5-86.5%；

铜粉 13.0-18.0%；

石墨粉 ≤0.5%；

润滑剂 0.3-0.5%；

2）混粉：将铁粉、石墨粉和润滑剂加入混粉机中混合均匀，所述加入的润滑剂的质量为所述防渗碳材料总质量的0.3-0.5%，混合均匀后，再静置10-24h，备用；

4）铜粉件的压制：将铜粉装入另一模具中，压制成铜粉件；

2.根据权利要求1所述的防渗碳材料的制备方法，其特征在于：所述的防渗碳材料的密度7.3-7.6g/cm³，表观硬度HRB≥60，抗拉强度≥320MPa；经渗碳处理后，其表观硬度HRC≥18，抗拉强度≥620MPa。

3.根据权利要求1所述的防渗碳材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中的润滑剂为硬脂酸锌。

4.根据权利要求1所述的防渗碳材料的制备方法，其特征在于：所述步骤5）中，润滑剂先分解、再烧除、最后排出炉外。