CN109735796A - 一种抑制高铬高钴渗碳钢网状碳化物组织并提高渗碳速度的渗碳方法 - Google Patents

Abstract

一种抑制高铬高钴渗碳钢网状碳化物组织并提高渗碳速度的渗碳方法，本发明涉及材料表面热处理领域。本发明要解决现有高铬高钴渗碳钢易出现网状碳化物组织，导致材料的脆性高、抗疲劳性能差的技术问题。方法：一、在高铬高钴渗碳钢的表面镀一层金属膜；二、将镀膜工件进行渗碳。通过本方法，可以获得渗碳层无网状碳化物组织，碳化物在渗碳层中均匀分布的渗碳层组织。解决了高合金钢渗碳，容易出现网状碳化物组织的技术难题。本发明方法用于航空轴承齿轮领域中。

Description

一种抑制高铬高钴渗碳钢网状碳化物组织并提高渗碳速度的 渗碳方法

技术领域

本发明涉及材料表面热处理领域。

背景技术

随着航空技术的不断发展，对航空发动机的性能要求更加苛刻，对齿轮和轴承材料的要求也越来越高。M50高温轴承钢和M50NiL渗碳硬化轴承钢的极限使用温度在315℃左右，已经不能满足下一代航空发动机的应用需求。高铬高钴渗碳钢如BG801轴承钢(14Cr14Co13Mo4.7Ni2VW)含有13wt.％的Co元素，可以显著提高合金的高温力学性能。BG801钢经过渗碳热处理，在保持一定抗腐蚀性能的前提下，可以获得表面硬度高、耐磨性好、心部韧性高，具有良好强韧性配合的综合力学性能，是制造航空轴承、齿轮的理想材料。

高铬高钴渗碳钢由于含有Cr、Mo、V、W四种强碳化物形成元素，因此在高温渗碳(800℃-1000℃)过程中，在渗碳层会析出大量的合金碳化物。合金碳化物的形成，一方面会减少奥氏体的体积分数，从而减少C扩散的有效横截面积，导致渗碳速度下降。另一方面，碳化物优先在晶界等缺陷处形核、长大，大量的碳化物沿晶界分布，形成网状碳化物组织，会严重降低材料的断裂韧性和抗疲劳性能。如何在避免网状碳化物组织出现的同时，提高高铬高钴渗碳钢的渗碳速度是高铬高钴渗碳钢热处理工艺制定的一个技术难题。

发明内容

本发明要解决现有高铬高钴渗碳钢易出现网状碳化物组织，导致材料的脆性高、抗疲劳性能差的技术问题，而提出一种抑制高铬高钴渗碳钢网状碳化物组织并提高渗碳速度的渗碳方法。

一种抑制高铬高钴渗碳钢网状碳化物组织并提高渗碳速度的渗碳方法，具体按以下步骤进行：

一、镀膜：在高铬高钴渗碳钢表面镀金属膜，控制金属膜的厚度为1μm～50μm，得到镀膜工件；

二、渗碳：采用真空脉冲渗碳技术，将步骤一得到的镀膜工件进行渗碳，控制渗碳温度为800℃～1000℃；完成所述抑制高铬高钴渗碳钢网状碳化物组织并提高渗碳速度的渗碳方法。

进一步的，步骤一中镀膜工艺为：采用直流电镀的方法，在高铬高钴渗碳钢表面镀一层合金膜，其中电镀液成分：氯化镍浓度为0.2mol/L，硫酸镍浓度为0.5mol/L，硫酸亚铁浓度为0.5mol/L，硼酸浓度为0.5mol/L，控制电流密度为10mA/cm²，电镀时间根据所需的膜厚确定。

其中步骤二中强渗和扩散时间比是根据步骤一中合金膜的成分和厚度进行设定的。

本发明的有益效果是：

采用本发明方法，可以在避免网状碳化物组织的出现的同时，提高高铬高钴渗碳钢的渗碳速度。缩短渗碳热处理时间，提高生产效率，降低生产成本。

技术原理：

真空脉冲渗碳是由多个强渗和扩散周期组成。在强渗周期内，通入真空室内的含碳气体如乙炔或丙烷分解，释放出活性碳原子。活性碳原子进入到钢的表层，使钢表层的碳浓度达到饱和状态。强渗结束后，进入扩散周期，停止通入含碳气体，并且将真空室内的残余气体迅速抽走。进入到钢表层的碳原子在化学势(或浓度梯度)的驱动下，向钢的内部扩散，使碳浓度梯度变平缓。重复上述强渗和扩散过程，使渗碳层厚度逐渐增加。

高铬高钴渗碳钢由于含有Cr、Mo、V、W四种强碳化物形成元素，因此在真空脉冲渗碳(800℃-1000℃)强渗周期内，进入到高铬高钴渗碳钢表层的碳原子达到奥氏体饱和碳浓度后，多余的碳原子与碳化物形成元素反应，以碳化物的形式在高铬高钴渗碳钢表层析出。在扩散周期内，高铬高钴渗碳钢奥氏体中的碳向心部扩散，奥氏体中的碳含量下降，碳化物与奥氏体之间元素的化学势平衡被打破，有部分碳化物溶解，向奥氏体中释放碳原子。碳化物的析出，将导致高铬高钴渗碳钢表层的奥氏体的体积分数减少。碳原子是在奥氏体中扩散，高铬高钴渗碳钢表层奥氏体体积分数的减小，导致碳原子扩散的有效横截面积减小，从而导致渗碳速度下降。另外，合金元素对碳原子的束缚左右，也会降低渗碳速度。

采用本发明，高铬高钴渗碳钢的表面镀一层合金膜。可以调节高铬高钴渗碳钢在真空脉冲渗碳过程中碳原子的扩散行为，避免碳化物在高铬高钴渗碳钢的表层大量聚集，抑制网状碳化物组织的形成。

在真空脉冲渗碳过程中，合金膜起到“限定表层碳浓度”和“存储和释放”碳原子的作用。在强渗周期，碳原子进入合金膜中，合金膜达到奥氏体饱和碳浓度后，膜中的碳浓度不再继续增加，起到“限定表层碳浓度”的作用。在扩散周期，合金膜中的碳原子向高铬高钴渗碳钢表面扩散，使合金膜中的碳浓度下降，高铬高钴渗碳钢表面的碳浓度升高。合金膜在强渗周期起到“存储”碳原子的作用，在扩散周期，起到“释放”碳原子的作用。通过在高铬高钴渗碳钢表面镀合金膜的方法，可以使高铬高钴渗碳钢在真空脉冲渗碳过程中，碳浓度的波动更加平缓。

在相同的渗碳和热处理工艺条件下，镀膜后BG801钢的有效渗碳层深度(取HV＝550)为0.45mm，比未镀膜样品的有效渗碳层深度0.34mm，增加了32％。

本发明方法应用于航空轴承齿轮领域中。

附图说明

图1为对比实验渗碳后的BG801轴承钢的金相组织照片；

图2为实施例一渗碳后的BG801轴承钢的金相组织照片；

图3为对比实验处理后的BG801轴承钢淬回火后渗碳层截面扫描电镜照片；

图4为实施例一处理后的BG801轴承钢淬回火后渗碳层截面扫描电镜照片；

图5为对比实验和实施例一处理后的BG801轴承钢淬回火后硬度梯度分布图，其中●代表对比实验处理后的试样，▲代表实施例一处理后的试样。

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：本实施方式一种抑制高铬高钴渗碳钢网状碳化物组织并提高渗碳速度的渗碳方法，具体按以下步骤进行：

一、镀膜：在高铬高钴渗碳钢表面镀金属膜，控制金属膜的厚度为1μm～50μm，得到镀膜工件；

二、渗碳：采用真空脉冲渗碳技术，将步骤一得到的镀膜工件进行渗碳，控制渗碳温度为800℃～1000℃；完成所述抑制高铬高钴渗碳钢网状碳化物组织并提高渗碳速度的渗碳方法。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中镀膜方式为真空蒸镀、磁控溅射镀膜、多弧离子镀膜、电镀或化学镀。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：步骤一中镀膜工艺为：采用直流电镀的方法，在高铬高钴渗碳钢表面镀一层合金膜，其中电镀液成分：氯化镍浓度为0.2mol/L，硫酸镍浓度为0.5mol/L，硫酸亚铁浓度为0.5mol/L，硼酸浓度为0.5mol/L，控制电流密度为10mA/cm²。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：步骤一中金属膜的材料为Cu、Al、Fe、Co、Ni、Zn、Mn、P、Si、B和N中的一种或几种的合金。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：步骤一中采用直流电源在高铬高钴渗碳钢的表面镀一层Ni-Fe合金膜，控制金属膜的厚度为6μm，Ni-Fe合金成分的质量比为Ni∶Fe＝19∶81。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：步骤二中渗碳方式采用真空脉冲渗碳炉进行渗碳。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：步骤二中采用真空脉冲渗碳炉进行渗碳时，控制强渗和扩散时间比为1∶(5～300)。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：步骤二中控制渗碳温度为900℃。其它与具体实施方式一至七之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例一种抑制高铬高钴渗碳钢网状碳化物组织并提高渗碳速度的渗碳方法，以BG801钢为例，具体按以下步骤进行：

一、镀膜：采用直流电源在BG801钢表面镀Ni-Fe合金膜，控制金属膜的厚度为6μm，Ni-Fe合金成分的质量比为Ni∶Fe＝19∶81，得到镀膜工件；

二、渗碳：将步骤一得到的镀膜工件采用真空脉冲渗碳炉进行渗碳，渗碳工艺设定为11个脉冲周期，每个脉状周期内强渗时间为2min，扩散时间分别为：12min，22min，32min，47min，62min，62min，62min，62min，62min，62min，62min，渗碳温度为900℃；完成所述抑制BG801轴承钢网状碳化物组织的渗碳方法。

本实施例步骤一中BG801钢的尺寸为20mm×20mm×6mm，在处理前先将表面用砂纸打磨，然后清洗。

对比实验：

将BG801钢采用真空脉冲渗碳炉进行渗碳，渗碳工艺设定为11个脉冲周期，每个脉状周期内强渗时间为2min，扩散时间分别为：12min，22min，32min，47min，62min，62min，62min，62min，62min，62min，62min，渗碳温度为900℃。

将对比实验渗碳后的试样和实施例一渗碳后的试样进行金相检测，金相检测结果如图1和图2所示，其中图1代表对比实验处理的试样，图2代表实施例一处理的试样；从图1可以看出未镀膜BG801钢渗碳后，在渗碳层有明显的网状碳化物组织沿晶界分布(图中白色长条状)；从图2可以看出镀膜BG801钢渗碳后，在渗碳层中碳化物弥散均匀分布，无明显的网状碳化物组织出现；对比图1和图2，可以看出在其他条件都相同的情况下，本发明通过在BG801钢表面镀Ni-Fe膜，可以有效的抑制BG801轴承钢在渗碳过程中在渗碳层中形成网状碳化物组织。

将对比实验和实施例一处理后的试样放入真空热处理炉内加热到1100℃保温40min，气淬冷却后，在550℃回火2次后取出。进行金相检测和硬度梯度测试。对比实验处理后的试样淬回火后渗碳层截面扫描电镜照片如图3所示，实施例一处理后的试样淬回火后渗碳层截面扫描电镜照片如图4所示；从图4可以看出，经过淬火回火热处理后，碳化物呈球形弥散分布，可以满足航空轴承对碳化物金相组织评级的要求；对比图3和图4，可以看出在经过淬火-回火热处理后，未镀膜BG801钢渗碳层中依然存在断续的网状碳化物组织，而镀Ni-Fe膜后的BG801钢渗碳层中，碳化物均匀分散，无明显网状碳化物组织出现，能够达到航空轴承对金相组织的碳化物评级要求。对比实验和实施例一处理后的试样淬回火后硬度梯度分布图如图5所示，其中●代表对比实验处理后的试样，▲代表实施例一处理后的试样；从图5中可以看出，在相同的渗碳和热处理工艺条件下，镀膜后BG801钢的有效渗碳层深度(取HV＝550)为0.45mm，比未镀膜样品的有效渗碳层深度0.34mm，增加了32％。

Claims (8)

1.一种抑制高铬高钴渗碳钢网状碳化物组织并提高渗碳速度的渗碳方法，其特征在于该方法具体按以下步骤进行：

一、镀膜：在高铬高钴渗碳钢表面镀金属膜，控制金属膜的厚度为1μm～50μm，得到镀膜工件；

二、渗碳：采用真空脉冲渗碳技术，将步骤一得到的镀膜工件进行渗碳，控制渗碳温度为800℃～1000℃；完成所述抑制高铬高钴渗碳钢网状碳化物组织并提高渗碳速度的渗碳方法。

2.根据权利要求1所述的一种抑制高铬高钴渗碳钢网状碳化物组织并提高渗碳速度的渗碳方法，其特征在于步骤一中镀膜方式为真空蒸镀、磁控溅射镀膜、多弧离子镀膜、电镀或化学镀。

3.根据权利要求1所述的一种抑制高铬高钴渗碳钢网状碳化物组织并提高渗碳速度的渗碳方法，其特征在于步骤一中镀膜工艺为：采用直流电镀的方法，在高铬高钴渗碳钢表面镀一层合金膜，其中电镀液成分：氯化镍浓度为0.2mol/L，硫酸镍浓度为0.5mol/L，硫酸亚铁浓度为0.5mol/L，硼酸浓度为0.5mol/L，控制电流密度为10mA/cm²。

4.根据权利要求1所述的一种抑制高铬高钴渗碳钢网状碳化物组织并提高渗碳速度的渗碳方法，其特征在于步骤一中金属膜的材料为Cu、Al、Fe、Co、Ni、Zn、Mn、P、Si、B和N中的一种或几种的合金。

5.根据权利要求1所述的一种抑制高铬高钴渗碳钢网状碳化物组织并提高渗碳速度的渗碳方法，其特征在于步骤一中采用直流电源在高铬高钴渗碳钢表面镀Ni-Fe合金膜，控制金属膜的厚度为6μm，Ni-Fe合金成分的质量比为Ni∶Fe＝19∶81。

6.根据权利要求1所述的一种抑制高铬高钴渗碳钢网状碳化物组织并提高渗碳速度的渗碳方法，其特征在于步骤二中渗碳方式采用真空脉冲渗碳炉进行渗碳。

7.根据权利要求1所述的一种抑制高铬高钴渗碳钢网状碳化物组织并提高渗碳速度的渗碳方法，其特征在于步骤二中采用真空脉冲渗碳炉进行渗碳时，控制强渗和扩散时间比为1∶(5～300)。

8.根据权利要求1所述的一种抑制高铬高钴渗碳钢网状碳化物组织并及提高渗碳速度的渗碳方法，其特征在于步骤二中控制渗碳温度为900℃。