CN1061443A - 稀土低温高浓度气体渗碳方法 - Google Patents

Abstract

稀土低温高浓度气体渗碳是把低温渗碳、稀土的 催化和微合金化，以及高或超高碳势结合起来的一种 新工艺方法。其主要特点：渗碳温度范围 820-900℃，渗剂中含有稀土催渗剂，渗碳淬火后表 面层的金相组织为强度与韧性较高的隐晶马氏体，其 上分布着细小弥散的颗粒状碳化物。这种组织具有 较高的耐磨性，弯曲疲劳和接触疲劳强度较标准渗碳 工艺提高15-40％，节约电能25-35％，减少变形，炉 具寿命延长1倍，经济效益显著。

Description

本发明涉及一种采用稀土渗碳剂进行气体渗碳的方法。

目前国内外各类机械制造厂广泛采用的气体渗碳工艺，包括井式滴注式气体渗碳，密封箱式气体渗碳或连续式气体渗碳等，从工艺方法的本质来说，均是几十年一贯制;即渗碳温度920-940℃渗碳介质无论是吸热式可控气氛。滴注式可控气氛，以及近年来发展起来的氮基气氛渗碳等，均没有采用任何催渗剂;渗后的金相组织的评定与检查标准也没有任何本质上的差别。但这并不是说在渗碳整体技术上没有进展。自80年代计算机在工艺过程的控制中获得应用以来，无论是渗碳设备结构上的进一步完善和合理化，及工艺过程的控制方面均取得了显著的进展。例如用计算机控制炉气碳势、渗碳层深度、金相组织等的精度、复现性和可靠性方面均获得了巨大成功。

哈尔滨工业大学自1983年发现稀土元素在碳氮共渗过程中的催化作用，并于1984年创制出稀土碳氮三元共渗新工艺，1985年创制出稀土碳二元共渗新工艺以来，目前国内已有数十家工厂已用于生产，取得了较好效益。

但目前的渗碳工艺仍存在着下面一些缺点：①温度高能耗大;②渗碳淬火后零件变形大;③渗碳设备所用材料耐热性能要求高;使用寿命短;④渗碳淬火后金相组织不够理想，因而其使用性能如耐磨性和接触疲劳等均不够高，未能更充分地发挥渗碳钢的潜在性能。

近年来创制的稀土碳二元共渗新工艺，从工艺原理与方法上与原工艺也没有本质差别，仅是利用了稀土的催渗作用，弥补了降低温度后所代来的渗速减慢。

本发明的目的在于提出一种采用稀土催渗剂的低温高浓度气体渗碳方法，采用该方法可以获得更快的渗速和较高渗碳浓度，从而达到提高金属渗后表层碳浓度、优化金相组织、节约能源、降低成本的目的。

基本原理

1）高浓度渗碳的界限

本发明是根据Fe-C二元相图作为参考依据来划分的：在某一温度下，在某一炉气碳势下对某一特定钢种渗碳，所渗入碳的浓度可分为三种情况：

（1）低浓度渗碳：所渗入的碳未达到该钢在渗碳温度下奥氏体饱和浓度（0.8～1.0%C），淬火后金相组织基本上不出现碳化物。

（2）中浓度渗碳：即渗入的碳浓度达到或略高于奥氏体的饱和浓度（1.0～1.3%C），金相组织特征为在奥氏体晶界上析出连续或断续碳化物网、或在晶界上形成串珠状、爪状等碳化物形态。

（3）高浓度渗碳：渗入的碳浓度远高于奥氏体的饱和浓度（1.3～2.5%C），金相组织的特征是除奥氏体晶界上优先析出碳化物外，晶内亦同时沉淀析出，碳化物呈颗粒状均匀细小弥散分布。淬火后基体为隐晶马氏体或细马氏体，这种马氏体有较高的强度和韧性。

2）低温渗碳的必要性

常规920-940℃温度下的气体渗碳，当采用高浓度渗碳时，由于碳化物甚易在晶界偏聚并集聚长大，因而几乎得不到细小弥散分布的碳化物，甚至零件表面形成连续或断续的碳化物壳。新工艺采用820-900℃低温渗碳容易形成细小颗粒状碳化物，且不易长大。

3）稀土的重要作用

①催渗作用：在820-900℃温度范围内，在完全相同条件下渗碳，渗剂中加入稀土的比不加的渗入速度可提高25～35%基本上可以弥补降低温度所造成的速度损失。

②微合金化作用：本发明大量试验结果证明，稀土优先沿晶界扩散，并同时由晶界向晶内扩散，尽管浓度梯度很低。但渗入速度却很快。由于稀土的原子半径比Fe的大40%多，因而稀土原子周围的铁原子点阵发生巨大畸变，C、N等间隙原子将优先在这些畸变区偏聚，当浓度达一定值后，即成为碳化物核心，进而沉淀析出碳化物。由于稀土原子半径与铁原子的巨大差异，稀土原子在铁中只能以稀固溶体的形式存在而不可能偏聚在一起，从而保证了碳化物核心的数量很多而弥散度却很大。由于温度很低沉淀出的碳化物不易聚集长大，最终甚易获得均匀细小弥散分布的碳化物。

本发明的要点在于：采用稀土如混合的或单质La和Ce的卤化物、硝酸盐或碳酸盐组成的稀土催化渗剂或其它稀土化合物催渗剂，渗碳温度为820-900℃，炉气碳势为1.3-2.0%。C

本发明具有如下优点：

（1）渗碳温度低：由原工艺920-940℃降至820-900℃，每干一炉活可节电25-35%，零件变形大约可减少1/2-1/3;

（2）金相组织优异：渗碳表层过共析区在隐晶马氏体的基本上分布着细小弥散颗粒状的碳化物，从而可提高渗碳表层强度和韧性及耐磨性、弯曲疲劳和接触疲劳性能;

（3）渗入速度快：在相同低温度渗碳条件下，渗剂中加入稀土催渗剂，比不加的快25-35%。新工艺从装炉到出炉的生产周期与原工艺相同，一般说来，原工艺的渗层深度若采用中限，而新工艺的则为中下限;

（4）工艺简单可控性好：工艺曲线较原工艺简化而减少人工操作程序。同时金相组织也更容易控制，因而新工艺的重复性、可靠性将比原工艺要好得多;

（5）成本低效益大：新工艺是在滴注式可控气氛渗碳基础上，适当添加稀土催渗剂而发展起来的。稀土添加剂非常便宜，每干一炉活成本＜4元，微不足道，渗剂不堵塞，无腐蚀。而产生的技术经济效益却是巨大的。仅节电一项1台90KW的井式渗碳炉每年可达5万余度。电炉丝寿命提高1倍，修炉周期达半年以上。

（6）通用性强：新工艺系通用型渗碳工艺，适用于各类机械零件，各种渗碳钢，尤其适用于浅层或中等渗层的各种渗碳。而对于钢种来说，含有Cr、Mo、V、Ti等易形成碳化物元素的更易获得满意金相组织。

附图说明：

图1为稀土低温高浓度气体渗碳标准工艺曲线;

图2为常规渗碳与稀土高浓度渗碳渗速统计平均值对比图;

图3为860℃稀土高浓度渗碳后的金相组织：隐晶马氏体加碳化物X400，材料：20CrMnTi

实施例：

本发明方法在拖拉机变速箱齿轮上进行试验，采用《固液稀土化学热处理催渗剂及其配制方法》（专利申请号88104204.8）中所提出的稀土渗剂配方，采用图1所示的工艺曲线在20GMmMo和20CrMnTi钢上均十分成功。尤其对20CrMnTi钢无论在渗碳速度与金相组织上均得到满意效果（见附图2和图3），力学性能测定指出，耐磨性、弯曲疲劳和接触疲劳与原工艺相比，可提高15-40%视钢种和具体工艺参数而不同。

新工艺的经济效益十分显著，统计指出：节电率达25-35%，修炉周期由两个月延长到半年以上，炉丝寿命延长1倍，装齿轮的吊具寿命延长了1/3以上。处理后的齿轮，花键内孔和公法线变形可减少 1/2 ～ 1/3 ，变速箱装配由难变易。

Claims (1)

1、一种稀土低温高浓度气体渗碳方法，其特征在于采用稀土化合物催渗剂，渗碳温度为820-900℃，炉气碳势为1.3-2.0%C。

Images