CN114000058A - 一种稀土合金化的钢材及其渗氮方法及一种渗氮钢件 - Google Patents

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Abstract

一种稀土合金化的钢材，包含质量分数为0.37～0.44wt％的C，0.15～0.35wt％的Si，0.65～1.00wt％的Mn，0.85～1.25wt％的Cr，0.15～0.25wt％的Mo，0.015～0.025wt％的S，Ni，P以及稀土合金，余量为铁及杂质；Ni的质量百分含量不大于0.25％，P的质量百分含量不大于0.025％；稀土合金的质量百分含量wt为：0<wt≤0.06％。该钢材低熔点杂质含量少，抗疲劳性能好，冲击韧性好。该钢材的渗氮方法包括：将上述钢材加热至1050～1250℃，经锻打、加热、保温、粗加工，热处理后进行精加工，然后进行渗氮。得到的渗氮钢件具备良好的表面硬度、硬化层深度适宜，钢件具备优良的耐磨强度和耐腐蚀强度。

Description

一种稀土合金化的钢材及其渗氮方法及一种渗氮钢件
技术领域
本发明属于金属材料领域，涉及一种稀土合金化的钢材及其渗氮方法及一种渗氮工件。
背景技术
渗氮热处理是应用广泛的一种钢材表面化学热处理技术，其目的是在钢铁材料表层实现氮的富集，发生反应并且形成硬化层，以提高钢件的耐磨性和疲劳强度。渗氮是钢在铁素体状态(700℃以下)渗入氮原子提高钢件表面氮含量，由于温度低，氮原子在铁素体中的扩散速度远低于氮原子在奥氏体中的扩散速度，因而渗氮速度慢，能耗大，生产周期长，如果将辅助时间计算在内，工艺时长一般为几十个小时。这将浪费大量的工时、电耗与渗氮介质，同时随着生产实际对工件使用性能要求的提高，需要进行热处理工艺的工件占比越来越大，且工艺愈加趋于复杂化，大量的热处理随之带来的是对环境严重的污染。
稀土材料具有特殊的电子结构和较强的化学活性，在被用于进行一般金属和合金材料的改良时体现出极强的改良潜力和特性。专利申请“固体稀土渗氮催渗剂”(申请号201110097678.2)、“一种化学渗氮催渗剂”(申请号201210216112.1)、“一种化学渗氮催渗剂”(申请号201210216112.1)、“镧-氮共渗稀土催渗剂”(申请号201410155284.1)、“稀土在预氧化软氮化工艺中的应用方法”(申请号201410023672.4)以及“使用稀土材料的34CrNiMoA钢氮化方法”(申请号201711321041.0)均是采用在渗氮过程中加入稀土金属作为催渗剂，加速渗氮介质的分解、促进工件对活性氮原子的吸附以及活性氮原子由渗氮表面扩散到渗层内部，提高了渗氮速度，降低了能耗，减少零件变形，缩短生产周期，同时改善渗氮层组织，提高性能的目的。然而现有技术虽有催渗效果，但需要从设备和操作等方面进行改进，并且稀土催渗剂会对设备产生一定的污染和腐蚀，且渗层深度有限。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种稀土合金化的钢材及其渗氮方法及一种渗氮钢件，从而在避免现有技术渗氮过程稀土催渗剂对设备产生污染以及腐蚀，同时有效实现钢材的快速渗氮，增加渗层深度，改善渗层组织及性能。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种稀土合金化的钢材，包含质量分数为0.37～0.44wt％的C，0.15～0.35wt％的Si，0.65～1.00wt％的Mn，0.85～1.25wt％的Cr，0.15～0.25wt％的Mo，0.015～0.025wt％的S，Ni，P以及稀土合金，余量为铁及杂质；
其中，所述Ni的质量百分含量不大于0.25％，所述P的质量百分含量不大于0.025％；
所述稀土合金的质量百分含量wt为：0<wt≤0.06％。
优选的，所述稀土合金包含质量分数为50％的Ce，29％的La，5％的Pr和16％的Nd。
一种上述稀土合金化钢材的渗氮方法，包括以下步骤：
S1：将上述稀土合金化的钢材加热至1050～1250℃，锻打得到第一坯件；
S2：将S1中的第一坯件加热至600～750℃，保温4h，冷却至200℃，得到第二坯件；
S3：对S2中的第二坯件进行粗加工，得到第三坯件；
S4：将S3中的第三坯件加热至800～880℃，保温5h后，冷却至600～650℃，保温3h，得到第四坯件；
S5：将S4中得到的第四坯件进行精加工，得到第五坯件；
S6：将S5中的第五坯件置于渗氮炉中，加热保温处理后，冷却至室温，完成渗氮过程。
优选的，采用体积比为3:1的氮气和甲醇作为所述第五坯件的渗氮气氛。
优选的，所述步骤S6中的渗氮温度为500～600℃，保温时间为36h。
一种渗氮钢件，采用上述的方法制得。
优选的，所述渗氮钢件的表面硬度不小于42HRC。
优选的，所述渗氮钢件的硬化层深度不小于0.2mm。
优选的，所述渗氮钢件的白亮层厚度不大于0.02mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供一种稀土合金化的钢材，该钢材包含稀土合金的质量百分含量wt为：0<wt≤0.06％。该稀土合金化的钢材使铁原子的表面能上升，增加了钢材捕捉N原子的驱动力，从而使扩散系数增大，扩散速率提升，氮化工艺周期被缩短；同时该钢材中由于在冶炼过程中加入有稀土合金，加入的稀土元素活性高，可以与夹杂的Al2O3和硫化物MnS反应，实现钢材的脱氧脱硫，变质夹杂物，使钢液净化，钢材中低熔点杂质的含量更少，因而该钢材的抗疲劳性能更好，其冲击韧性也更好。
本发明还提供一种稀土合金化钢材的渗氮方法，采用上述稀土合金化的钢材直接进行渗氮过程，无需在渗氮过程中加入稀土合金，无需对设备以及操作流程进行改进，避免了稀土合金对渗氮设备的污染和腐蚀。同时采用上述稀土合金化的钢材进行渗氮，钢材表层相当于已经加入了稀土催渗剂，因而渗入速度更快，渗层深度更深，有效改善渗层组织及性能；同时稀土微合金化处理后，达到净化钢材，有效起到脱氧、脱硫和变质夹杂物的作用。
进一步的，采用体积比为3:1的氮气和甲醇作为所述第五坯件的渗氮气氛可以有效保证钢材的渗氮效果。
进一步的，采用渗氮温度为500～600℃，保温36h有效保证钢材的充分渗氮。
本发明还提供一种渗氮钢件，通过上述的渗氮方法制备得到。该钢件具备良好的表面硬度、硬化层深度适宜，钢件具备优良的耐磨强度和耐腐蚀强度。
附图说明
图1为本发明实施例1中未添加稀土合金(a)与添加稀土合金(b)后钢材内部夹杂物的金相显微镜照片；
图2为本发明实施例1中未添加稀土合金与添加稀土合金渗氮后钢件渗层硬度分布曲线；
图3为本发明实施例1中未添加稀土合金与添加稀土合金渗氮后钢件断面的扫描电子显微镜。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
一种稀土合金化的钢材，以42CrMo为基体材料进行冶炼，其化学成分及其含量是：C为0.37wt％，Si为0.15wt％，Mn为0.65wt％，Cr为0.85wt％，Mo为0.15wt％，Ni为0.25wt％，P为0.025wt％，S为0.015wt％，在冶炼过程中加入稀土合金，其中稀土合金的质量百分含量wt为：0.01％，余量的铁及杂质。该稀土合金包含质量分数为50％的Ce，29％的La，5％的Pr和16％的Nd。该稀土合金化的钢材使铁原子的表面能上升，增加了捕捉N原子的驱动力，从而使扩散系数增大，扩散速率提升，氮化工艺周期被缩短；同时该钢材中由于在冶炼过程中加入有稀土合金，加入的稀土元素活性高，可以与夹杂的Al2O3和硫化物MnS反应，实现钢材的脱氧脱硫，如图1(a)所示，未加稀土合金合成冶炼钢材时，夹杂物主要呈现长条状，还有少部分的点状。经过稀土合金化处理的钢材中夹杂物的尺寸明显细化，其形态由条带状变为小球状。且尺寸大于5μm的夹杂物数量减少约50％，大于10μm的夹杂物比例由8～10％降低到3％，夹杂物平均尺寸由5.2μm降低到3.9μm。即添加稀土合金后可变质夹杂物，使钢液净化，钢材中低熔点杂质的含量更少，因而该钢材的抗疲劳性能更好，其冲击韧性也更好，添加稀土合金后，试验钢材的室温冲击功由17.25J提高至39.06J。基于本发明的设计思想，不限于在其他类型钢材的冶炼过程中加入其它种类的稀土金属，以实现钢材的稀土合金化。
本发明还提供一种稀土合金化钢材的渗氮方法，对上述稀土合金化钢材采用以下步骤进行渗氮热处理：
S1：锻造。将上述稀土合金化的钢材加热至1050℃，采用3500吨电液锤锻打，经墩粗、成型、冲孔等工序后可锻打为所需要的各种型号的零件毛坯；
S2：正火。将完成步骤S1中的零件毛坯加热至600℃，保温4h，随炉冷却至200℃，出炉，在空气中进行冷却；
S3：粗加工。对完成步骤S2中的坯件进行粗加工，包括车外圆和端面等工序；
S4：调质处理。将完成步骤S3的坯件加热至800℃，保温5h后，冷却至600℃，保温3h；
S5：精加工。将完成步骤S4的坯件进行精加工，包括精加工端面和外圆，以及插齿等工序，得到加工好的钢件；
S6：氮化。将步骤S5中加工好的钢件置于可控气氛渗氮炉中进行渗氮，渗氮温度在500℃，渗碳气氛为氮气和甲醇，其体积比为3:1；保温36h后进行吹风冷却至室温，完成渗氮过程。
由图2可知，本实施例中，添加稀土合金后：(1)表面硬度由45.2HRC提高到48.8HRC；(2)提高了近表层的显微硬度，但随着距表面距离越来越远，这种差异越来越小；(3)硬化层深由0.37mm提高到0.46mm，加深了0.09mm。
由图3可见，(1)本实施例中无稀土添加的试验钢的白亮层浅，厚度约为12μm，经过稀土合金处理后钢件的白亮层厚度约为16μm，白亮层厚度明显增加；(2)无稀土添加的试验钢中的扩散层有大量平行于表面的脉状组织，而经过稀土处理试验钢中只有少量的脉状组织存在。普通渗氮中很容易产生脉状组织，氮化物容易沿晶界积累，一旦表面硬度提高，往往可能增加脆性。结果表明稀土处理后能改善脉状组织。另外，两种试验钢的表层均能明显观察到表面疏松。疏松是渗氮过程所形成的一种组织缺陷，是指在ε相区分布的点状黑色组织，实际是一些大小不等、形状不规则的孔洞。一般认为，形成疏松的主要原因是由于亚稳态的ε相发生分解，形成高压分子氮向表面逸出而形成的孔洞。
实施例2
一种稀土合金化的钢材，以42CrMo为基体材料进行冶炼，包括0.33wt％的C，0.17wt％的Si，0.72wt％的Mn，0.95wt％的Cr，0.19wt％的Mo，0.23wt％的Ni，0.022wt％的P，0.018wt％的S，0.022wt％的稀土合金，余量的铁及杂质。该稀土合金包含质量分数为50％的Ce，29％的La，5％的Pr和16％的Nd。
对上述稀土合金化钢材采用以下步骤进行渗氮热处理：
S1：锻造。将上述稀土合金化的钢材加热至1080℃，采用3500吨电液锤锻打，经墩粗、成型、冲孔等工序后可锻打为所需要的各种型号的零件毛坯；
S2：正火。将完成步骤S1中的零件毛坯加热至660℃，保温4h，随炉冷却至200℃，出炉，在空气中进行冷却；
S3：粗加工。对完成步骤S2中的坯件进行粗加工，包括车外圆和端面等工序；
S4：调质处理。将完成步骤S3的坯件加热至810℃，保温5h后，冷却至610℃，保温3h；
S5：精加工。将完成步骤S4的坯件进行精加工，包括精加工端面和外圆，以及插齿等工序，得到加工好的钢件；
S6：氮化。将步骤S5中加工好的钢件置于可控气氛渗氮炉中进行渗氮，渗氮温度在510℃，渗碳气氛为氮气和甲醇，其体积比为3:1；保温36h后进行吹风冷却至室温，完成渗氮过程。
通过上述方法得到的渗氮钢件具备优良的物理化学性能，其表面硬度为48.1HRC，硬化层深度为0.43mm，白亮层厚度为0.020mm，有效满足使用需求。
实施例3
一种稀土合金化的钢材，以42CrMo为基体材料进行冶炼，包括0.35wt％的C，0.25wt％的Si，0.84wt％的Mn，1.05wt％的Cr，0.22wt％的Mo，0.2wt％的Ni，0.023wt％的P，0.019wt％的S，0.03wt％的稀土合金，余量的铁及杂质。该稀土合金包含质量分数为50％的Ce，29％的La，5％的Pr和16％的Nd。
对上述稀土合金化钢材采用以下步骤进行渗氮热处理：
S1：锻造。将上述稀土合金化的钢材加热至1150℃，采用3500吨电液锤锻打，经墩粗、成型、冲孔等工序后可锻打为所需要的各种型号的零件毛坯；
S2：正火。将完成步骤S1中的零件毛坯加热至710℃，保温4h，随炉冷却至200℃，出炉，在空气中进行冷却；
S3：粗加工。对完成步骤S2中的坯件进行粗加工，包括车外圆和端面等工序；
S4：调质处理。将完成步骤S3的坯件加热至855℃，保温5h后，冷却至620℃，保温3h；
S5：精加工。将完成步骤S4的坯件进行精加工，包括精加工端面和外圆，以及插齿等工序，得到加工好的钢件；
S6：氮化。将步骤S5中加工好的钢件置于可控气氛渗氮炉中进行渗氮，渗氮温度在530℃，渗碳气氛为氮气和甲醇，其体积比为3:1；保温36h后进行吹风冷却至室温，完成渗氮过程。
通过上述方法得到的渗氮钢件具备优良的物理化学性能，其表面硬度为47.6HRC，硬化层深度为0.47mm，白亮层厚度为0.017mm，有效满足使用需求。
实施例4
一种稀土合金化的钢材，以42CrMo为基体材料进行冶炼，包括0.4wt％的C，0.4wt％的Si，0.9wt％的Mn，1.17wt％的Cr，0.23wt％的Mo，0.2wt％的Ni，0.02wt％的P，0.022wt％的S，0.056wt％的稀土合金，余量的铁及杂质。该稀土合金包含质量分数为50％的Ce，29％的La，5％的Pr和16％的Nd。
对上述稀土合金化钢材采用以下步骤进行渗氮热处理：
S1：锻造。将上述稀土合金化的钢材加热至1200℃，采用3500吨电液锤锻打，经墩粗、成型、冲孔等工序后可锻打为所需要的各种型号的零件毛坯；
S2：正火。将完成步骤S1中的零件毛坯加热至720℃，保温4h，随炉冷却至200℃，出炉，在空气中进行冷却；
S3：粗加工。对完成步骤S2中的坯件进行粗加工，包括车外圆和端面等工序；
S4：调质处理。将完成步骤S3的坯件加热至865℃，保温5h后，冷却至645℃，保温3h；
S5：精加工。将完成步骤S4的坯件进行精加工，包括精加工端面和外圆，以及插齿等工序，得到加工好的钢件；
S6：氮化。将步骤S5中加工好的钢件置于可控气氛渗氮炉中进行渗氮，渗氮温度在570℃，渗碳气氛为氮气和甲醇，其体积比为3:1；保温36h后进行吹风冷却至室温，完成渗氮过程。
通过上述方法得到的渗氮钢件具备优良的物理化学性能，其表面硬度为49.1HRC，硬化层深度为0.42mm，白亮层厚度为0.014mm，有效满足使用需求。
实施例5
一种稀土合金化的钢材，以42CrMo为基体材料进行冶炼，包括0.44wt％的C，0.35wt％的Si，1.0wt％的Mn，1.25wt％的Cr，0.25wt％的Mo，0.15wt％的Ni，0.02wt％的P，0.025wt％的S，0.06wt％的稀土合金，余量的铁及杂质。该稀土合金包含质量分数为50％的Ce，29％的La，5％的Pr和16％的Nd。
对上述稀土合金化钢材采用以下步骤进行渗氮热处理：
S1：锻造。将上述稀土合金化的钢材加热至1250℃，采用3500吨电液锤锻打，经墩粗、成型、冲孔等工序后可锻打为所需要的各种型号的零件毛坯；
S2：正火。将完成步骤S1中的零件毛坯加热至750℃，保温4h，随炉冷却至200℃，出炉，在空气中进行冷却；
S3：粗加工。对完成步骤S2中的坯件进行粗加工，包括车外圆和端面等工序；
S4：调质处理。将完成步骤S3的坯件加热至880℃，保温5h后，冷却至650℃，保温3h；
S5：精加工。将完成步骤S4的坯件进行精加工，包括精加工端面和外圆，以及插齿等工序，得到加工好的钢件；
S6：氮化。将步骤S5中加工好的钢件置于可控气氛渗氮炉中进行渗氮，渗氮温度在600℃，渗碳气氛为氮气和甲醇，其体积比为3:1；保温36h后进行吹风冷却至室温，完成渗氮过程。
通过上述方法得到的渗氮钢件具备优良的物理化学性能，其表面硬度为48.6HRC，硬化层深度为0.49mm，白亮层厚度为0.019mm，有效满足使用需求。
本工艺方法中渗氮处理的对象为内部已经添加有稀土合金的钢材，无需在渗氮过程中加入稀土合金，无需对设备以及操作流程进行改进，避免了稀土合金对渗氮设备的污染和腐蚀。同时采用上述稀土合金化的钢材进行渗氮，钢材表层相当于已经加入了稀土催渗剂，因而渗入速度更快，渗层深度更深，有效改善渗层组织及性能；同时稀土微合金化处理后，达到净化钢材，有效起到脱氧、脱硫和变质夹杂物的作用。本技术方案中表面硬度至少提高3％，层深至少加深15％。

Claims (9)

1.一种稀土合金化的钢材，其特征在于，包含质量分数为0.37～0.44wt％的C，0.15～0.35wt％的Si，0.65～1.00wt％的Mn，0.85～1.25wt％的Cr，0.15～0.25wt％的Mo，0.015～0.025wt％的S，Ni，P以及稀土合金，余量为铁及杂质；
其中，所述Ni的质量百分含量不大于0.25％，所述P的质量百分含量不大于0.025％；
所述稀土合金的质量百分含量wt为：0<wt≤0.06％。
2.根据权利要求1所述的一种稀土合金化的钢材，其特征在于，所述稀土合金包含质量分数为50％的Ce，29％的La，5％的Pr和16％的Nd。
3.一种权利要求1或2中稀土合金化钢材的渗氮方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将所述稀土合金化的钢材加热至1050～1250℃，锻打得到第一坯件；
S2：将S1中的第一坯件加热至600～750℃，保温4h，冷却至200℃，得到第二坯件；
S3：对S2中的第二坯件进行粗加工，得到第三坯件；
S4：将S3中的第三坯件加热至800～880℃，保温5h后，冷却至600～650℃，保温3h，得到第四坯件；
S5：将S4中得到的第四坯件进行精加工，得到第五坯件；
S6：将S5中的第五坯件置于渗氮炉中，加热保温处理后，冷却至室温，完成渗氮过程。
4.根据权利要求3所述的一种稀土合金化钢材的渗氮方法，其特征在于，采用体积比为3:1的氮气和甲醇作为所述第五坯件的渗氮气氛。
5.根据权利要求3所述的一种稀土合金化钢材的渗氮方法，其特征在于，所述步骤S6中的渗氮温度为500～600℃，保温时间为36h。
6.一种渗氮钢件，其特征在于，采用权利要求3-5的方法制得。
7.根据权利要求6所述的一种渗氮钢件，其特征在于，所述渗氮钢件的表面硬度不小于42HRC。
8.根据权利要求6所述的一种渗氮钢件，其特征在于，所述渗氮钢件的硬化层深度不小于0.2mm。
9.根据权利要求6所述的一种渗氮钢件，其特征在于，所述渗氮钢件的白亮层厚度不大于0.02mm。
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