CN108468014B

CN108468014B - 一种工具钢表面渗碳改性的热处理方法

Info

Publication number: CN108468014B
Application number: CN201810339234.7A
Authority: CN
Inventors: 弓满锋; 黄维洛; 宋日汉; 杨仁镁; 司徒俏玲; 张嘉纯
Original assignee: Lingnan Normal University
Current assignee: Lingnan Normal University
Priority date: 2018-04-16
Filing date: 2018-04-16
Publication date: 2020-06-26
Anticipated expiration: 2038-04-16
Also published as: CN108468014A

Abstract

本发明公开了一种工具钢表面渗碳改性的处理方法。该方法包括以下步骤：将工具钢用特殊渗碳剂埋覆于渗碳箱中，将气氛炉升温至850～900℃，直接热装钢材，装炉温度≥600℃，对钢材进行透烧；在气氛炉中加热到800～900℃，保温100～140 min后，在1～30 min内继续升温至1000～1020℃，然后保温4～6 h，对钢材进行渗碳处理；渗碳完成后，于炉内820～860℃保温0.5～1.5 h，降温至250～300℃后，取出钢材，冷却到室温。本发明能够提高工具钢的硬度和耐磨性，钢材表面硬度约比未处理的工具钢高15%～20%，刀具寿命提高5～6倍，大大提高了钢材的使用价值，应用前景广阔。

Description

一种工具钢表面渗碳改性的热处理方法

技术领域

本发明属于工具钢处理技术领域。更具体地，涉及一种工具钢表面渗碳改性的热处理方法。

背景技术

工具钢是一种具有高淬硬性、良好韧性的冷作硬化工具钢，具有良好的切削性能，在制作木材加工、制糖、造纸等工业方面得到广泛的应用。为了满足使用的需要，国内企业参考国际市场上工具钢的技术条件和我国合金工具钢的标准要求研制生产了不同牌号和使用需求的国产型工具钢，其表面质量、内部组织、性能能够达到同类的工具钢的技术要求，但其硬度、韧性、耐磨性等性能与进口同牌号钢材相比，还存在很多不足，相对进口工具钢的寿命时间也较短，还不能完全满足国内生产企业的实际需求。

生产企业在使用过程中，有利用工具钢制造木材切割刀具，但往往因刀具耐摩擦磨损性能的不足，生产过程中经常需将刀具拆卸、打磨和安装，其过程繁琐，维护成本较高，严重制约企业生产效率。通常工具钢的含碳量在0.15%～0.16%之间，属于低碳钢，经过固体渗碳处理后，其硬度和耐磨性能有所提升，但同时其原有的力学性能会下降。因此，如何在保证其原有的力学性能能够满足使用要求的基础上，提高工具钢的硬度和耐磨性，是用户经常遇到且需要解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术的缺陷和不足，提供一种工具钢表面渗碳改性的热处理方法。本发明热处理方法改进的工具钢刀具表面致密性好、硬度高、耐磨性好，钢材表面硬度约比未处理的工具钢高15-20%，综合性能有较大的提高。

本发明的另一目的是提供一种以上述的热处理方法制备得到的改性工具钢。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种工具钢表面渗碳改性的热处理方法，包括以下步骤：

S1. 透烧：将钢材用渗碳剂埋覆于渗碳箱中，将气氛炉升温至850～900℃，直接热装钢材，装炉温度≥600℃；

S2. 渗碳：将气氛炉加热到800～900℃，保温100～140 min后，在1～30 min内继续升温至1000～1020℃，进行渗碳处理4～6 h，停止加热；

S3. 保温及冷却：渗碳完成后，于炉内820～860℃保温0.5～1.5 h，降温至250～300℃后，取出钢材，冷却到室温。

本发明将低碳钢或低碳合金钢材置入埋入四周装有固体渗碳剂的渗碳箱内加热到1000～1020℃的高温奥氏体状态，使活性碳原子渗入工件的表面，从而获得高碳的渗层组织，提高表面硬度及耐磨性，增强工件的疲劳强度，心部则具有足够的韧性和塑性，以满足工件工作过程的需要。木材切割刀具经过固体渗碳处理后，其硬度和耐磨性能有所提升，从而提高了企业的工作效率和节省成本。

优选地，所述工具钢的材料的化学式为：5Cr5MoWSi。

优选地，所述工具钢的成分包括以下重量百分比的原料：C为0.13%～0.18%、Mo为1.115%～1.165%、Si为0.175%～1.11%、Cr为4.175%～5.15%、Mn为0.12%～0.15%、W为1.1%～1.15%、P≤0.103%、S≤0.103%，余量为Fe。

更优选地，C的重量百分比为0.15%～0.16%。

C是固溶于热加工工具钢的基体，从而提高热加工工具钢的硬度的元素，还是形成碳化物的重要的元素。如果C低于0.13%，则钢的硬度降低，无法确保必要的耐磨损性。另外，如果C超过0.18%，则钢的韧性降低。因而C的含量设为0.13%～0.18%；Si元素固溶在铁素体中，提高钢的强度，但Si元素容易在钢板表面形成致密的氧化层Mn₂SiO₄，从而影响材料的镀锌性能。Mn元素是常规的强韧化元素，作为奥氏体形成元素，在扩大奥氏体区，降低终轧温度，推迟奥氏体转变，可以同时起到细化晶粒的作用；但Mn元素含量太高，一方面增加成本，另一方面增加钢的淬透性，使焊接组织出现硬化层导致裂纹焊缝及热影响区裂纹敏感性增高。Mo、Cr和W是一种强碳氮化物形成元素，有利于析出强化，并且可以阻止高温奥氏体过分长大，具有极强的细化晶粒作用；但Mo含量过高，其加工性变差，同时，增加了材料成本。

优选地，装炉温度为800～980℃。对于小型工件可直接升到渗碳温度；对于含Ti、V、Mo等稀有金属元素的合金钢，为了加速渗碳过程，采用950～980℃装炉。对于含Cr、W等元素的钢，因为这些元素易于C元素结合形成较强化学键合的碳化物，故而在渗碳过程中，要注意容易产生过渗碳问题，要严格控制渗碳工艺中时间和温度等因素。

为实现本发明的目的，必须使各温度和时间在规定的范围内。

优选地，所述步骤S2中，以5～6 ℃/min的加热速率在30 min内升温至1000～1020℃。该过程属于阶梯缓慢加热，其目的在于防止出现工件内外温度不均，造成工件的渗碳浓度差别较大。

优选地，所述步骤S2中，以碳酸钡、碳酸钠、碳酸钙、炭粉和超细石墨粉的混合物作为渗碳剂进行渗碳。

更优选地，在所述渗碳剂中，所述碳酸钡的含量为3%～5%，所述碳酸钠的含量为0.5%～1.0%，所述碳酸钙的含量为5%。

更优选地，所述的炭粉包括普通粒径和超细粒径两种，其中普通粒径炭粉的粒径分布在3.0～5.0 mm，超细粒径炭粉的粒径分布在≤1.0 mm；所述的超细石墨粉的粒径分布在5～10 μm；普通粒径炭粉、超细粒径炭粉和超细石墨粉的体积分数配比为1～2:1～2:2～4。

更进一步优选地，所述普通粒径炭粉、超细粒径炭粉和超细石墨粉的体积分数配比为1:1:2。

优选地，将新、旧渗碳剂混合使用，其中新渗碳剂占30%～40%，旧渗碳剂占60%～70%。

优选地，渗碳剂的配制方法，首先将炭粉称好并经过过筛后倒入清水中，过滤去炭粉中砂子、铁锈等杂质，捞取炭粉后迅速与石墨粉搅拌混合待用，将3~5%碳酸钡（BaCO₃）、0.5~1.0%碳酸钠（Na₂CO₃）和5%碳酸钙（CaCO₃）混合搅拌均匀，再用适量清水稀释后，加入炭粉和石墨粉，机械搅拌的同时加热干燥，干燥后（水分＜5%即可）的混合粉体即可作为渗碳剂使用。

所需粒径的炭粉和石墨粉按照1:1:2比例配好，

优选地，所述气氛炉为真空炉，控制真空度为0.1～10 Pa。

优选地，所述步骤S3中，冷却方式包括空冷、油冷或盐浴。

更优选地，所述步骤S3中，取出钢材后，以30～50℃/min的冷速空冷至室温。

具体优选地，所述步骤S3中，渗碳完成后，在840℃温度下保温1 h后，待钢材温度降至275℃时取出，随后以30℃/min的速度急速空冷至室温。

作为一种优选方案，所述热处理方法，包括以下步骤：

S1. 透烧：将工具钢包埋于渗碳箱，将气氛炉升温至850℃，直接热装钢材，装炉温度650℃；

S2. 渗碳：将气氛炉加热到850℃，保温120 min后，以5℃/min的加热速率在30min内升温至1010℃，进行渗碳处理5 h，停止加热；

S3. 保温及冷却：渗碳完成后，于炉内840℃保温1 h，冷却至275℃后，取出钢材，以30℃/min的冷速空冷至室温。

本发明还提供了上述任一所述的热处理方法制备得到的改性工具钢。

优选地，所述改性工具钢，其表面碳含量为0.25%～0.55%，有效渗碳硬化层深度1.6～2.2 mm，硬度为HV_30kg=500～600 MPa。

优选地，所述改性工具钢的力学性能为：屈服强度为350～450 MPa，抗拉强度为430～540 MPa，延伸率≥20，塑性应变比r为3.33～3.35，应变硬化指数n为0.25～0.28。

与现有技术相比，本发明具有以下突出优点：

本发明热处理方法通过规范各步骤要求、参数条件及注意事项，能在保证其原有的力学性能能够满足使用要求的基础上，提高工具钢的硬度和耐磨性；改进的工具钢表面致密性好、硬度高、耐磨性好，钢材表面硬度约比未处理的工具钢高15%～20%，刀具耐磨寿命提高5～6倍，大大的提高钢材的使用价值，非常适合作切削刀具材料，具有相当的经济效益。

附图说明

图1为渗碳和热处理前的摩擦磨损划痕（加载200 g，时间30 min）。

图2为渗碳和热处理后的摩擦磨损划痕（加载200 g，时间30 min）。

图3为实施例1和对比例1的工艺流程图。

图4为渗碳热处理前后工具钢XRD图谱。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

实施例1 一种工具钢表面渗碳改性的热处理方法

1、处理方法

一种工具钢表面渗碳改性的热处理方法，包括以下步骤：

（1）透烧：将钢材用渗碳剂埋覆于渗碳箱中，将气氛炉升温至850℃，直接热装钢材，装炉温度650℃；

其中，所用渗碳剂为碳酸钡、碳酸钠、碳酸钙、普通粒径炭粉（粒径分布在3.0～5.0mm）、超细粒径炭粉（粒径分布在≤1.0 mm）和超细石墨粉（粒径分布在5～10 μm）的混合物，在该渗碳剂中，碳酸钡的含量为3~5%，碳酸钠的含量为0.5~1.0%碳酸钠，碳酸钙的含量为5%；普通粒径炭粉、超细粒径炭粉和超细石墨粉的体积分数配比为1:1:2；

（2）渗碳：将真空炉加热至850℃，保温120 min后，以5℃/min的加热速率在30 min内升温至1010℃，进行渗碳处理5 h，停止加热；

（3）保温及冷却：渗碳完成后，于炉内840℃保温1 h，冷却至275℃后，取出钢材，以30℃/min的冷速空冷至室温。

其中，该工具钢原料的化学成分为：C为0.15%、Mo为1.115%、Si为1.11%、Cr为4.175%、Mn为0.15%、W为1.1%、P为0.103%、S为0.103%，余量为Fe。

2、产品表征

（1）对比图1和图2渗碳和热处理前、后摩擦磨损的划痕，可知，处理前的划痕相对清晰，划痕环宽且深，而以本实施例的方法处理后，同等条件下的划痕相对模糊，划痕环较窄且浅。实验结果说明，在同等球盘摩擦磨损实验条件下其摩擦磨损量更低。

（2）对比图4中渗碳热处理前后钢材内部组成的变化，可知，处理前钢材Fe相衍射峰清晰且尖，表明热处理前Fe元素主要以Fe原子的形式单质存在于钢材中；衍射峰上的Fe₂O₃衍射峰也清晰且尖，表明钢材表面生成有氧化铁，这主要是因为摩擦磨损实验中，钢材基体中的Fe与空气中的O原子结合，在划痕处生成了氧化铁，同时表明除颗粒剥离断裂之外，氧化也是该钢材主要摩擦磨损机理之一；处理后钢材表面的Fe₂O₃衍射峰变矮且宽泛化，表明处理后的钢材表面在摩擦磨损实验中生成的氧化铁显著少于处理前钢材表面的；处理后的Fe相衍射峰显著变矮且宽泛化，分析表明热处理后钢材表面Fe、Cr原子与C原子结合，生成了碳化混合物，显然渗碳热处理的效果较为明显，改变了钢材表面化学元素组成。

（3）另外，通过企业的实际木材切削实验，发现以该改性工具钢制作的刀具寿命提升了5～6倍，有效提升了生产效率，降低企业生产成本。

（4）该改性工具钢的表面碳含量为0.52%，有效渗碳硬化层深度1.9 mm，硬度为HV_30kg=588.7 MPa；屈服强度为413.5 MPa，抗拉强度为465.2 MPa，延伸率≥22，塑性应变比r为3.33，应变硬化指数n为0.26。

实施例2 一种工具钢表面渗碳改性的热处理方法

其它条件与实施例1相同，不同之处在于：以5 ℃/min的加热速率在30 min内升温至1000℃，进行渗碳处理6 h，停止加热。

实验表明，该改性工具钢耐磨损性好、韧性强、耐腐蚀性佳，其表面碳含量为0.55%，有效渗碳硬化层深度2.2 mm，硬度为HV_30kg=537.3MPa；屈服强度为426.2 MPa，抗拉强度为502.0 MPa，延伸率≥20，塑性应变比r为3.33，应变硬化指数n为0.26。

实施例3 一种工具钢表面渗碳改性的热处理方法

其它条件与实施例1相同，不同之处在于：以5℃/min的加热速率在30 min内升温至1020℃，进行渗碳处理4 h，停止加热。

实验表明，该改性工具钢耐磨损性好、韧性强、耐腐蚀性佳，其表面碳含量为0.35%，有效渗碳硬化层深度1.6 mm，硬度为HV_30kg=483.6 MPa；屈服强度为458.9 MPa，抗拉强度为525.7 MPa，延伸率≥30，塑性应变比r为3.35，应变硬化指数n为0.28。

实施例4 一种工具钢表面渗碳改性的热处理方法

其它条件与实施例1相同，不同之处在于：冷却至250℃后，取出钢材，以40 ℃/min的冷速空冷至室温。

实施例5 一种工具钢表面渗碳改性的热处理方法

其它条件与实施例1相同，不同之处在于：冷却至300℃后，取出钢材，以50 ℃/min的冷速空冷至室温。

上述实施例4～5实验表明，该改性工具钢耐磨损性好、韧性强、耐腐蚀性佳，其表面碳含量为0.52%，有效渗碳硬化层深度为1.9 mm，硬度为HV_30kg=560～580MPa；屈服强度为410～450 MPa，抗拉强度为460～490 MPa，延伸率≥20，塑性应变比r为3.33，应变硬化指数n为0.26。

实施例6 一种工具钢表面渗碳改性的热处理方法

其它条件与实施例1相同，不同之处在于：冷却至275℃后，取出钢材，油浴冷却至室温。

实验表明，该改性工具钢耐磨损性好、韧性强、耐腐蚀性佳，其表面碳含量为0.54%，有效渗碳硬化层深度2.1 mm，硬度为HV_30kg=505.5 MPa；屈服强度为458.5 MPa，抗拉强度为518.2 MPa，延伸率≥30，塑性应变比r为3.33，应变硬化指数n为0.26。

实施例7

1、化学成分设计：将实验分成4组进行，每组工具钢的化学成分及重量百分比不同，具体每组工具钢的化学成分及重量百分比见表1。

2、以实施例1的热处理方法进行渗碳热处理，各产品的实物性能见表2。

表1 每组工具钢的化学成分及重量百分比的取值列表（%）

表2 各产品的实物性能

实施例8 渗碳剂对热处理效果的影响

1、方法：

参考实施例1的方法，唯一不同在于将步骤（2）中的渗碳剂分别替换为以下各组的物质：1、碳酸钡、碳酸钠和碳酸钙的混合物；2、普通粒径炭粉、超细粒径炭粉和超细石墨粉的混合物；3、碳酸钡、碳酸钠、碳酸钙和超细石墨粉的混合物；4、碳酸钡、碳酸钠、普通粒径炭粉、超细粒径炭粉和超细石墨粉的混合物；5、碳酸钡、碳酸钠、超细粒径炭粉和超细石墨粉的混合物；6、碳酸钡、碳酸钠、碳酸钙、炭粉和超细石墨粉的混合物；7、碳酸钡、碳酸钠、碳酸钙、普通粒径炭粉（粒径分布在3.0～5.0 mm）、超细粒径炭粉（粒径分布在≤1.0 mm）和超细石墨粉（粒径分布在5～10 μm）的混合物。

2、结果：

表3 以各组渗碳剂处理得到的产品的实物性能

对比例1

其它条件与实施例1相同，不同之处在于：升温至930～950℃，进行渗碳处理5 h后，停止加热。

对比例2

其它条件与实施例1相同，不同之处在于：升温至1060℃，进行渗碳处理5 h后，停止加热。

对比例3

其它条件与实施例1相同，不同之处在于：取出钢材后，盐浴冷却至室温。

对比例4

其它条件与对比例1相同，不同之处在于：取出钢材后，盐浴冷却至室温。

表4 实施例1及对比例1～4的产品性能

实验结果表明，1000～1020℃高温环境下处理的试样明显比930～950℃下处理的试样的表面硬度高，综合力学性质更佳。对比盐浴和空冷两种后处理冷却方式可知，空冷后处理的试样硬度更高。综合上述分析，得出1000～1020℃空冷后处理工艺最优。

由此可以看出，本发明在工具钢表面渗碳改性方面具有显著的效果，改进的工具钢表面致密性好、硬度高、耐磨性好，钢材表面硬度约比未处理的工具钢高15%～20%，刀具寿命提高5～6倍，大大的提高钢材的使用价值，非常适合作切削刀具材料，市场前景广阔。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的保护范围内所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种工具钢表面渗碳改性的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.透烧：将钢材用特殊渗碳剂埋覆于渗碳箱中，将气氛炉升温至850～900℃，直接热装钢材，装炉温度≥600℃，对钢材进行透烧；

S2.渗碳：将气氛炉加热到800～900℃，保温100～140min后，在1～30min内继续升温至1000～1020℃，进行渗碳处理4～6h，停止加热；

S3.保温及冷却：渗碳完成后，于炉内820～860℃保温0.5～1.5h，降温至250～300℃后，取出钢材，冷却到室温；

其中所述特殊渗碳剂为碳酸钡、碳酸钠、碳酸钙、普通粒径炭粉、超细粒径炭粉和超细石墨粉的混合物；

所述普通粒径炭粉粒径为3.0mm～5.0mm，所述超细粒径炭粉粒径分布小于1.0mm，所述超细石墨粉粒径为5μm～10μm。

2.根据权利要求1所述的工具钢表面渗碳改性的热处理方法，其特征在于，所述工具钢的材料的化学式为：5Cr5MoWSi。

3.根据权利要求1所述的工具钢表面渗碳改性的热处理方法，其特征在于，所述工具钢的成分包括以下重量百分比的原料：C为0.13％～0.18％、Mo为1.115％～1.165％、Si为0.175％～1.11％、Cr为4.175％～5.15％、Mn为0.12％～0.15％、W为1.1％～1.15％、P≤0.103％、S≤0.103％，余量为Fe。

4.根据权利要求1所述的工具钢表面渗碳改性的热处理方法，其特征在于，将新、旧渗碳剂混合使用，其中新渗碳剂占30％～40％，旧渗碳剂占60％～70％。

5.根据权利要求1所述的工具钢表面渗碳改性的热处理方法，其特征在于，所述气氛炉为真空炉，控制真空度为0.1～10Pa。