CN1043363C - 稀土深层渗碳钢 - Google Patents

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Abstract

一种稀土深层渗碳钢，与现有的深层渗碳钢比较，主要解决了现有的深层渗碳钢在长时间渗碳时晶粒粗化和二次加热淬火组织遗传问题。其特征是组分中含有稀土元素铈、镧中的一种或二者的混合物，经长时间渗碳(140小时)后，不仅奥氏体晶粒细小，二次加热淬火时不发生组织遗传，而且碳化物细小分布均匀，渗层抗弯强度和断裂韧度明显提高。故本发明稀土深层渗碳钢是一种材料资源丰富能满足长期(深层)渗碳工艺要求的优良钢种。

Description

稀土深层渗碳钢
本发明稀土深层渗碳钢属于合金材料。
深层渗碳是重载大型齿轮和轴承的一种表层化学热处理，可有效地提高零件承载能力和使用寿命，具有很大的经济意义。由于重载大件要求渗层可达5-7mm，所以常选用高淬透性合金渗碳钢(如20Cr2Ni4A,20Cr2Mn2MoA等)作为深层渗碳钢，在920-950℃下进行100-200小时的长期渗碳。由于这种渗碳加热时间太长，这些用铝脱氧的一般合金渗碳钢，因奥氏体的长期热力学长大，会发生严重的晶粒粗化(可达2-3级)，碳化物呈块状和网状粗化，严重影响钢的强度和韧度。因此，在深层渗碳之后，需要应用重结晶细化晶粒的原理，再进行中间退火和二次加热淬火改善组织和性能。但是由于零件尺度大加热速度慢的影响，这些渗碳粗大淬火组织在二次加热淬火时又会重现，发生组织遗传，达不到细化组织和改善性能的要求。于是就需要从材料成分设计入手，加入新的合金元素，能有效长期阻碍奥氏体的晶粒长大和碳化物粗化，从根本上解决上述问题。
本发明稀土深层渗碳目的在于针对上述工业生产上存在的实际问题，结合我国丰富的稀土资源和合金资源，利用稀土在钢中细化晶粒和碳化物的作用，在原深层渗碳钢20Cr2Mn2MoA钢的基础上，再加入适量的稀土合金，发明了稀土深层渗碳钢20Cr2Mn2MoRE，成功地解决了上述存在的问题。
本发明稀土深层渗碳钢在长期渗碳下是一种细晶粒高强韧型的钢种，其组分中含有稀土元素铈、镧中的一种或这二者的混合物，稀土元素含量(重量)RE0.04-0.11，其它化学成分(重量％)为：C0.17-0.23,Mn1.8-2.2,Cr1.7-2.3,Si0.25-0.46,Mo0.25-0.45,S≤0.035,P≤0.035，余量为Fe及其不可避免的杂质。
本发明稀土深层渗碳钢，在电炉中冶炼，用稀土合金加入法或吊挂稀土加入法实现稀土元素加入量的控制。其关键是微量稀土元素在钢中的合金化作用。
本发明钢具有良好的渗碳性能，经140小时渗碳奥氏体晶粒细小，碳化物细小均匀，，二次加热淬火不发生组织遗传，比不加稀土钢渗碳速度提高约10-15％，强度和韧度较高等特点。可用表1给出的实施例稀土深层渗碳钢和对比钢的成分的实验结果来说明。
 表1、稀土深层渗碳钢实施成分和对比钢的成分
Figure C9511512700041
注：其中的RE为稀土元素铈、镧中的一种或这二者的混合物
1、阻止钢的奥氏体晶粒长大，细化了晶粒。
稀土元素是表面活性物质，固溶于钢中主要分布在晶界上，降低晶界能，既减小晶粒长大驱动力，又拖曳晶界的迁移。因而可有效地长期阻碍奥氏体晶粒长大。图1所示，稀土钢因稀土的阻碍，奥氏体晶粒长大很慢，经140小时长期加热，奥氏体晶粒仍很细小，平均直径(D)约30-40μm(晶粒度7级)。而不加稀土钢，奥氏体晶粒长大较快，140小时已长大到150-200μm(晶粒度2-3级)。
2、细化碳化物组织：分布在晶界上的稀土因降低界面能，可以阻止碳化物沿晶界形成和长大，使渗碳碳化物均匀分布，比较细小；而未加稀土钢，其碳化物为沿晶界分布，比较粗大。
3、防止粗晶组织遗传。
本发明钢经930℃140小时加热后再在850℃二次加热的淬火组织，其晶粒很细小，不存在粗晶组织遗传；未加稀土钢(比较钢)经930℃,140小时加热后，再经850℃二次加热的淬火组织，其晶粒粗大，发生了粗晶组织遗传，未起到二次加热淬火细化晶粒的效果。
4、提高渗碳速度。
钢中加入稀土有细化晶粒和净化晶界的作用，加速了碳沿晶界的扩散过程，所以可使渗碳速度提高。本发明钢的渗碳速度提高约10-15％。
5、提高了钢的强度和韧度。
因稀土有细化晶粒和碳化物组织等的作用，所以可以使钢的强度和韧度明显提高。表2是本发明钢和比较钢在正常加热淬火情况下的常规力学性能。
 表2、钢的常规力学生能(870℃加热淬火，200℃回火)
表3是两种钢经98小时渗碳后，经不同热处理的渗层弯曲强度。本发明钢因无粗晶组织遗传，晶粒细小，渗层弯曲强度较高；而未加稀土钢(比较钢)，因发生组织遗传，晶粒粗化，所以渗层弯曲强度很低。
         表3、钢的渗层弯曲强度(Mpa)
表4是两种钢经98小时渗碳后，经不同热处理的渗层断裂韧度。可见因组织遗传的影响，本发明钢的韧度较高。
     表4、钢的渗层断裂韧度(Mpa、m1/2)
总之，本发明稀土深层渗碳钢比不加稀土深层渗碳钢能有效地阻止长期渗碳的奥氏体晶粒长大，防止晶粒组织粗化，根绝二次加热淬火的粗晶组织遗传，提高渗碳速度，细化碳化物组织，改善提高钢的强度和韧度是一种良好的深层渗碳钢。
说明书附图说明
图1、930℃下奥氏体晶粒随加热时间(h)的变化图
纵座标：D-表示晶粒的平均直径(μm)
横座标：t-表示加热时间(h)
曲线1：示比较钢
曲线2：示本发明钢

Claims (1)

1．一种稀土深层渗碳钢，在长期渗碳下是一种细晶粒高强韧型的钢种，其特征在于组分中含有稀土元素铈、镧中的一种或这二者的混合物，稀土元素含量(重量％)RE0.04-0.11，其它化学成分(重量％)为：C0.17-0.23,Mn1.8-2.2,Cr1.7-2.3,Si0.25-0.46,Mo0.25-0.45,S≤0.035,P≤0.035，余量为Fe及其不可避免的杂质。
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