CN109536884A - 一种渗碳钢表层获得高强韧复相组织的渗碳方法及应用 - Google Patents
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Abstract
一种渗碳钢表层获得高强韧复相组织的渗碳方法及应用，本发明涉及在渗碳钢表层形成高强韧复相组织的渗碳方法领域。本发明要解决现有渗碳方法获得的渗层组织韧性差，导致抗疲劳性能差的技术问题。方法：一、选择异类金属元素；二、进行共渗处理；三、进行淬火处理；四、进行回火处理。采用该渗碳方法制备的表层具有高强韧复相组织的渗碳钢作为主体材料应用于传动件，传动件包括齿轮或轴承。本发明方法得到的渗层由高强的粒状碳化物和强韧兼备的板条马氏体复相组成，可以提高渗碳钢零件的耐磨性和抗疲劳性能。本发明用于在渗碳钢表层获得高强韧复相组织。
Description
技术领域
本发明涉及在渗碳钢表层形成高强韧复相组织的渗碳方法领域。
背景技术
在高速、重载及高温服役的条件下，机械、汽车和航空等领域高端装备件对齿轮和轴承等材料提出了严苛的要求，决定了齿轮和轴承等材料向着更高疲劳寿命和更高耐磨强度的方向发展。鉴于这些，高速重载齿轮采用的钢种为合金渗碳钢，通过渗碳淬火处理可以实现表面强化，然而，传统的渗碳淬火工艺表面形成透镜片状马氏体，其亚结构为孪晶，孪晶对马氏体的强度贡献大，然而孪晶阻碍滑移，并且表面析出的碳化物不均匀分布于晶界中，从而导致其韧性差，影响齿轮的疲劳寿命，即使回火后，表面高硬度的孪晶马氏体依然具有一定的脆性，影响渗层的耐磨性和抗疲劳性能。
发明内容
本发明要解决现有渗碳方法获得的渗层组织韧性差，导致抗疲劳性能差的技术问题，而提供一种渗碳钢表层获得高强韧复相组织的渗碳方法及应用。
一种渗碳钢表层获得高强韧复相组织的渗碳方法，按以下步骤进行：
一、选择异类金属元素，其中异类金属元素在渗碳过程中，与渗碳钢零件中合金化金属元素共同转化为铬当量Cre；
二、将渗碳钢零件和步骤一选择的异类金属元素放入渗碳炉内，对渗碳钢零件和异类金属元素进行共渗处理，控制渗碳温度为860℃～980℃，碳势为1.20～1.50％；
三、将步骤二处理后的渗碳钢零件在渗碳炉内进行淬火处理，得到表层为粒状碳化物和板条马氏体组成的复相渗碳层的渗碳淬火钢零件；
四、将步骤三得到的渗碳淬火钢零件进行回火处理，得到表层具有高强韧复相组织的渗碳钢，完成所述的渗碳方法，
其中步骤一选择的异类金属元素满足：在步骤二渗碳过程中，异类金属元素与渗碳钢零件中合金化金属元素共同转化为铬当量Cre，与碳共渗形成粒状碳化物。
步骤一中异类金属元素在渗碳过程中，与渗碳钢零件中合金化金属元素共同转化为铬当量Cre，使之与渗入的碳匹配，为后续碳原子的渗入，并在表面层形成粒状碳化物做准备。
进一步，步骤一中异类金属元素为Cr、Mn、Mo、V、Ti、Al、La或Ce元素。
进一步，步骤二中进行共渗处理时，异类金属元素与碳共渗形成粒状碳化物。
进一步，步骤二所述的渗碳钢零件的材质为低碳合金钢或中碳合金钢。
进一步，步骤二中共渗处理工艺为添加金属元素的气体渗碳工艺、真空渗碳工艺或等离子体渗碳工艺。
进一步，步骤四中回火处理工艺为低温回火处理或中温回火处理。
采用该渗碳方法制备的表层具有高强韧复相组织的渗碳钢作为主体材料应用于传动件，传动件包括齿轮或轴承。
本发明的有益效果是：
本发明针对不同的渗碳钢，依据钢中的合金化元素和渗入的金属元素，设计碳与异类金属的共渗工艺，使渗层中形成粒状的碳化物，均匀分布在强韧兼备的板条马氏体组织中。因此，本发明方法得到的是一种高强韧板条马氏体+粒状碳化物复相渗层组织，通过固溶强化+碳化物弥散强化来实现渗层强化，板条马氏体组织提供良好的韧性，从而提高渗碳钢零件的耐磨性和疲劳性能。采用本发明方法制备的齿轮样与传统方法相比，接触疲劳寿命提高457％，弯曲疲劳寿命171％。
本发明用于在渗碳钢表层获得高强韧复相组织；采用该渗碳方法制备的表层具有高强韧复相组织的渗碳钢作为主体材料应用于传动件，传动件包括齿轮或轴承。
附图说明
图1为对比实验产物20Cr2Ni4渗碳钢零件表层金相组织的光学显微照片；
图2为实施例一产物表面复相组织的光学显微照片；
图3为对比试验产物20Cr2Ni4钢渗碳层的透射电子显微镜照片；
图4为实施例一产物20Cr2Ni4钢渗碳层的透射电子显微镜照片。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种渗碳钢表层获得高强韧复相组织的渗碳方法，按以下步骤进行：
一、选择异类金属元素，其中异类金属元素在渗碳过程中，与渗碳钢零件中合金化金属元素共同转化为铬当量Cre；
二、将渗碳钢零件和步骤一选择的异类金属元素放入渗碳炉内，对渗碳钢零件和异类金属元素进行共渗处理，控制渗碳温度为860℃～980℃，碳势为1.20～1.50％；
三、将步骤二处理后的渗碳钢零件在渗碳炉内进行淬火处理，得到表层为粒状碳化物和板条马氏体组成的复相渗碳层的渗碳淬火钢零件；
四、将步骤三得到的渗碳淬火钢零件进行回火处理，得到表层具有高强韧复相组织的渗碳钢，完成所述的渗碳方法，
其中步骤一选择的异类金属元素满足：在步骤二渗碳过程中，异类金属元素与渗碳钢零件中合金化金属元素共同转化为铬当量Cre，与碳共渗形成粒状碳化物。
步骤一中异类金属元素在渗碳过程中，与渗碳钢零件中合金化金属元素共同转化为铬当量Cre，使之与渗入的碳匹配，为后续碳原子的渗入，并在表面层形成粒状碳化物做准备。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中异类金属元素为Cr、Mn、Mo、V、Ti、Al、La或Ce元素。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二所述的渗碳钢零件的材质为低碳合金钢。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二所述的渗碳钢零件的材质为中碳合金钢。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中共渗处理工艺为添加金属元素的气体渗碳工艺、真空渗碳工艺或等离子体渗碳工艺。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤三中淬火处理具体采用油淬处理或水淬处理。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤四中回火处理工艺为低温回火处理。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤四中回火处理工艺为中温回火处理。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤四中回火处理工艺为低温回火处理，回火温度为180℃，回火时间为3h。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：具体实施方式一所制备的一种表层获得高强韧复相组织的渗碳钢的应用，是采用该渗碳方法制备的表层具有高强韧复相组织的渗碳钢作为主体材料应用于传动件，传动件包括齿轮或轴承。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例一种渗碳钢表层获得高强韧复相组织的渗碳方法，按以下步骤进行：
一、选择异类金属元素La，
其中异类金属元素La在渗碳过程中，与20Cr2Ni4渗碳钢零件中合金化金属元素共同转化为铬当量Cre，与碳共渗形成粒状碳化物；
二、将20Cr2Ni4渗碳钢零件和步骤一选择的异类金属元素La放入渗碳炉内，对渗碳钢零件和异类金属元素进行共渗处理，控制渗碳温度为860℃，碳势为1.20％；
三、将步骤二处理后的渗碳钢零件在渗碳炉内进行油淬处理，得到表层为粒状碳化物和板条马氏体组成的复相渗碳层的渗碳淬火钢零件；
四、将步骤三得到的渗碳淬火钢零件进行低温回火处理，控制回火温度为180℃，回火时间为3h，得到表层具有高强韧复相组织的渗碳钢，完成所述的渗碳方法。
本实施例针对20Cr2Ni4钢，依据钢中的合金化元素和渗入的La元素，设计碳与La元素的共渗工艺，使渗层中形成粒状的碳化物，均匀分布在强韧的板条马氏体组织中。因此，本发明方法得到的是一种高强韧板条马氏体+粒状碳化物复相渗层组织，通过固溶强化+碳化物弥散强化来实现渗层强化，板条马氏体组织提供良好的韧性，从而提高渗碳钢零件的耐磨性和疲劳性能。
对比实验：
按以下步骤进行：
一、将20Cr2Ni4渗碳钢零件放入渗碳炉内，对渗碳钢零件进行渗碳处理，控制渗碳温度为920℃，碳势为1.0％，渗碳时间为6h，得到的渗碳钢零件；
二、将步骤一得到的渗碳钢零件在温度为660℃条件下进行回火处理6h；
三、将步骤二处理的渗碳回火钢零件升温至温度为820℃，保温20min，然后进行油淬处理，得到渗碳淬火钢零件；
四、将步骤三得到的渗碳淬火钢零件进行低温回火处理，控制回火温度为180℃，回火时间为3h，完成。
图1为对比实验产物20Cr2Ni4渗碳钢零件表层金相组织的光学显微照片，结果显示渗层主要由片状回火马氏体和沿晶界析出的碳化物组成，该组织结构韧性差；
图2为实施例一产物表面复相组织的光学显微照片，结果显示渗层包含大量弥散分布的粒状碳化物均匀分布在板条马氏体表面，这种均匀高强的粒状碳化物与强韧兼备的板条马氏体复相组织结构可以实现高强韧化。
图3为对比试验产物20Cr2Ni4钢渗碳层的透射电子显微镜照片；
图4为实施例一产物20Cr2Ni4钢渗碳层的透射电子显微镜照片；
由图3显示的传统渗碳层结构可以看出，该渗碳层主要由片状马氏体组成，并析出粗大的碳化物相。由图4可以看出，实施例一产物表面具有高强韧板条马氏体+粒状碳化物复相组织结构，这种强韧相之间的配合可以显著改善材料的耐磨性，提高材料的疲劳寿命。
表1为实施例一和对比实验中制备的20Cr2Ni4钢齿轮样件疲劳性能测试结果，由表内数据显示，实施例一制备的具有高强韧板条马氏体+粒状碳化物复相组织结构的齿轮样与具有传统渗碳片状马氏体组织结构的对比齿轮样相比较，实施例一制备的齿轮样接触疲劳寿命提高457％，弯曲疲劳寿命171％。
表1
Claims (10)
1.一种渗碳钢表层获得高强韧复相组织的渗碳方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
一、选择异类金属元素；
二、将渗碳钢零件和步骤一选择的异类金属元素放入渗碳炉内，对渗碳钢零件和异类金属元素进行共渗处理，控制渗碳温度为860℃～980℃，碳势为1.20～1.50％；
三、将步骤二处理后的渗碳钢零件在渗碳炉内进行淬火处理，得到表层为粒状碳化物和板条马氏体组成的复相渗碳层的渗碳淬火钢零件；
四、将步骤三得到的渗碳淬火钢零件进行回火处理，得到表层具有高强韧复相组织的渗碳钢，完成所述的渗碳方法，
其中步骤一选择的异类金属元素满足：在步骤二渗碳过程中，异类金属元素与渗碳钢零件中合金化金属元素共同转化为铬当量Cre，与碳共渗形成粒状碳化物。
2.根据权利要求1所述的一种渗碳钢表层获得高强韧复相组织的渗碳方法，其特征在于步骤一中异类金属元素为Cr、Mn、Mo、V、Ti、Al、La或Ce元素。
3.根据权利要求1所述的一种渗碳钢表层获得高强韧复相组织的渗碳方法，其特征在于步骤二所述的渗碳钢零件的材质为低碳合金钢。
4.根据权利要求1所述的一种渗碳钢表层获得高强韧复相组织的渗碳方法，其特征在于步骤二所述的渗碳钢零件的材质为中碳合金钢。
5.根据权利要求1所述的一种渗碳钢表层获得高强韧复相组织的渗碳方法，其特征在于步骤二中共渗处理工艺为添加金属元素的气体渗碳工艺、真空渗碳工艺或等离子体渗碳工艺。
6.根据权利要求1所述的一种渗碳钢表层获得高强韧复相组织的渗碳方法，其特征在于步骤三中淬火处理具体采用油淬处理或水淬处理。
7.根据权利要求1所述的一种渗碳钢表层获得高强韧复相组织的渗碳方法，其特征在于步骤四中回火处理工艺为低温回火处理。
8.根据权利要求1所述的一种渗碳钢表层获得高强韧复相组织的渗碳方法，其特征在于步骤四中回火处理工艺为中温回火处理。
9.根据权利要求1所述的一种渗碳钢表层获得高强韧复相组织的渗碳方法，其特征在于步骤四中回火处理工艺为低温回火处理，回火温度为180℃，回火时间为3h。
10.如权利要求1所制备的一种表层获得高强韧复相组织的渗碳钢的应用，其特征在于采用该渗碳方法制备的表层具有高强韧复相组织的渗碳钢作为主体材料应用于传动件，传动件包括齿轮或轴承。
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