CN103774085A - 一种在低碳合金钢表面制备的高氮奥氏体层及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在低碳合金钢表面制备的高氮奥氏体层及制备方法，包括以下步骤：（1）对低碳合金钢进行调质预处理，得到以索氏体组织为基体的工件；（2）将上述工件于660℃-680℃气体渗氮2-3小时，取出后立即水淬，得到以高氮奥氏体为表层的工件；所述渗氮是以铁粉作为催化剂，以干燥的纯氨气或氮气和氢气的混合气体为渗剂；当渗剂为氨气时，渗氮时控制氨气分解率为97-98%，氨气流量为0.13-0.27ml/s。高氮奥氏体层中温回火之后能够获得更高的硬度，回火产物尺寸为纳米级，硬度可达1000HV～1200HV，具备良好的耐磨性，而且不会产生氢氰酸污染。
Description
技术领域
本发明属于金属材料表面化学热处理应用技术领域，具体涉及一种在低碳合金钢表面制备高氮奥氏体的方法及其产生最佳耐磨性能的等温回火工艺。
背景技术
渗氮工艺是常见的化学热处理工艺之一。渗氮在工业上的应用大致起始于60年代前，现已发展为被广泛应用的一类化学热处理工艺。通常使用的渗氮材料是含有铝、鉻、铜等合金元素的钢材，即通常所说的“渗氮钢”。传统的渗氮工艺处理时间需30-90h，处理后，氮可以扩散到几百微米深。为了缩短处理时间，人们发展了一些新型的工艺方法，比如在辉光放电条件下渗氮，它可以不用氨气而用气体氮进行渗氮。这种方法被称为“离子渗氮”。此后又发展了含氰化物或氰酸盐的盐浴，成为“盐浴渗氮”或“Tenifer”，通常用于工模具、非合金钢、铸铁或烧结材料工件的渗氮。此外，现有的方法会产生氢氰酸污染。
发明内容
为了在现有气体渗氮工艺的基础上，继续探索奥氏体渗氮及其中温回火工艺的应用可能性。本发明提供一种在低碳合金钢表面制备高氮奥氏体的渗氮工艺，及其产生最大耐磨性的中温回火工艺。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种在低碳合金钢表面制备高氮奥氏体层的方法，包括以下步骤：
（1）对低碳合金钢进行调质预处理，得到以索氏体组织为基体的工件；
（2）将上述工件于660℃-680℃气体渗氮2-3小时，取出后立即水淬，得到以高氮奥氏体为表层的工件；所述渗氮是以铁粉作为催化剂，以干燥的纯氨气或氮气和氢气的混合气体为渗剂；当渗剂为氨气时，渗氮时控制氨气分解率为97-98%，氨气流量为0.13-0.27ml/s。
所述低碳合金钢为20Cr或20CrMo钢。
优选地，还对所述具有高氮奥氏体层的工件进行回火处理，回火温度为225～255℃，时间为6～8小时，取出后空冷，再将试样打磨光滑，得到表层为致密双相组织的工件。
优选地，步骤（1）所述调质预处理为880℃加热20分钟并水淬，然后于680℃回火两个小时，取出后空冷。
上述方法在低碳合金钢表面制备的高氮奥氏体层，回火处理前高氮奥氏体层以FeN0.0950相为主，厚度达20-40μm，硬度为550-640HV，奥氏体层与过渡层间有少量马氏体组织，厚度为5-7μm；回火处理后渗层组织为γ`+α双相致密组织，硬度为1000-1200HV。
本发明的原理为：
通过调整氨气流量控制炉腔内氨气的分解率，将氮势控制在化合物相临界氮势以下，铁素体相临界氮势以上。控制渗氮时间，能够使得渗氮件的表面不形成化合物层而直接形成奥氏体层，并具有一定的厚度。渗氮奥氏体中温回火后将转变为γ`和α相，回火产物尺寸为纳米级，硬度可达1000HV～1200HV，具备良好的耐磨性。
与现有的氮碳共渗技术相比，本发明具有如下优点：
（1）本发明的奥氏体渗氮不仅可以继承铁素体氮碳共渗和奥氏体氮碳共渗的优点，而且不会产生氢氰酸污染。
（2）高氮奥氏体层中温回火之后能够获得更高的硬度，回火产物尺寸为纳米级，硬度可达1000HV～1200HV，具备良好的耐磨性。
附图说明
图1为20Cr和20CrMo在680℃渗氮前的调质预处理工艺。
图2为经预处理工艺后试样的金相组织，其中图2a为20Cr调质后的截面金相图，图2b为20CrMo调质后的截面金相图。
图3为在20Cr为基体渗氮后得到的渗层截面金相图和表面XRD分析，其中图3a为渗氮层的截面金相图，图3b为表面渗氮层的XRD分析图。
图4为20Cr渗氮件在不同条件下回火处理后渗层的硬度分布图。
图5为20CrMo渗氮件在不同条件下回火处理后渗层的硬度分布图。
图6为经奥氏体渗氮并于225℃，8h，255℃，6h中温回火后的样品以及经渗氮温度540℃-550℃，氨气流量500ml/s，渗氮时间8h离子渗氮后的样品在滚动摩擦磨损试验机上测试后得到的摩擦系数图对比，其中图5a为20Cr材料，图5b为20CrMo材料。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
实施例1
一种在20Cr和20CrMo材料表面制备高氮奥氏体并产生高硬度中温回火产物的方法，具体步骤如下：
对20Cr和20CrMo棒材进行调质处理，工艺为：880℃保温20分钟，取出后水淬；680℃保温2小时，取出后空冷，图1为该工艺的流程图，图2a，2b分别为调质处理后20Cr和20CrMo的截面金相图。用切割机将调质处理后的棒材切割成厚度为4-5mm的圆片试样，并用800#的砂纸将试样打磨光滑。加热真空管式炉至680℃后通入氨气，调整炉膛内的铁粉含量使氨气流量为0.24ml/L的条件下达到98%的分解率。待实验条件稳定后，打开炉膛，放入渗氮试样进行渗氮，渗氮时间为2h。渗氮完成后取出试样并水淬。淬火后的渗氮试样截面图如图3所示。此后将淬火试样置于盐浴回火炉内加热到225℃进行回火，回火时间为24h，每隔2h取出一个试样进行空冷。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：将制得的渗氮试样置于盐浴回火炉内加热到255℃并回火24h，每隔2h取出一个试样进行空冷。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于：将制得的渗氮试样置于盐浴回火炉内加热到300℃并回火24h，每隔1.5h取出一个试样进行空冷。
实施例4
将20Cr和20CrMo渗氮试样置于离子渗氮炉内进行渗氮，渗氮温度为550℃，渗氮时间为8h，取出后空冷。
对实施例1，2，3制备出的样品做硬度测试后，20Cr和20CrMo在不同温度下回火后的硬度分布结果分别如图4，图5所示。可见渗氮奥氏体回火后的最大硬度随着回火温度的升高而降低，且20Cr和20CrMo试样均在225℃×8h后得到最大硬度，合金元素Mo的加入对硬度分布的影响不大。图6a，6b分别为对20Cr和20CrMo奥氏体渗氮试样在225℃×8h，255℃×6h及离子渗氮后的样品进行滚动摩擦磨损实验，结果显示20Cr和20CrMo奥氏体试样均在225℃×8h后产生最大耐磨性。
Claims (7)
1.一种在低碳合金钢表面制备高氮奥氏体层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）对低碳合金钢进行调质预处理，得到以索氏体组织为基体的工件；
（2）将上述工件于660℃-680℃气体渗氮2-3小时，取出后立即水淬，得到以高氮奥氏体为表层的工件；所述渗氮是以铁粉作为催化剂，以干燥的纯氨气或氮气和氢气的混合气体为渗剂；当渗剂为氨气时，渗氮时控制氨气分解率为97-98%，氨气流量为0.13-0.27ml/s。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述具有高氮奥氏体层的工件进行回火处理，回火温度为225～255℃，时间为6～8小时，取出后空冷，得到表层为致密双相组织的工件。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤（1）所述调质预处理为880℃加热20分钟并水淬，然后于680℃回火两个小时，取出后空冷。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述低碳合金钢为20Cr或20CrMo钢。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述低碳合金钢为20Cr或20CrMo钢。
6.利用权利要求1～5任意一项方法在低碳合金钢表面制备的高氮奥氏体层。
7.根据权利要求6所述的高氮奥氏体层，其特征在于，回火处理前高氮奥氏体层以FeN0.0950相为主，厚度达20-40μm，硬度为550-640HV，奥氏体层与过渡层间有少量马氏体组织，厚度为5-7μm；回火处理后渗层组织为γ`+α双相致密组织，硬度为1000-1200HV。
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