CN1442504A - 一种硼碳氮三元共渗方法 - Google Patents

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本发明涉及金属表面化学热处理技术领域，具体为一种硼碳氮三元共渗方法，将块状固态渗硼剂置于渗碳炉，与工件隔开放置，同时将碳、氮共渗液分别滴入渗碳炉，形成硼、碳、氮三元气相共渗，共渗温度780－880℃，共渗速度0.15～0.2mm/小时，出炉油冷或水冷。本发明可以降低共渗温度及淬火温度，工件变形量小，适用于对尺寸精度要求较高的工、模具及高耐磨件，改善工件硬度、韧性、耐磨性及抗疲劳强度，工件淬透性好，渗剂配制简单，设备工艺简单。

Description

一种硼碳氮三元共渗方法
技术领域
本发明涉及金属表面化学热处理技术领域，具体为一种硼碳氮三元共渗方法。
背景技术
金属表面常常要进行表面化学热处理，以改善其表面物理化学性能，表面渗硼是一种金属表面强化的化学热处理，通常所采用的有固相、液相和气相三种渗入工艺，气相渗硼工艺和其它元素一样，从生产效率、劳动条件和产品质量等方面都优于固相和液相法，但到目前为止，气相渗硼剂以氢作载体，是以乙硼烷(B2H6)作为原料，所以技术上尚未突破易爆、有剧毒等难以克服的缺点，因此必须有专用设备，工艺过程复杂；在已有的技术中，各种渗硼方法都是在900～950℃范围内进行，这将引起被渗工件的尺寸变形，因而高温渗硼对尺寸精度要求较高的工、模具和一些耐磨件是难以实现的。
目前，碳、氮共渗作为一种金属表面强化工艺，在矿山机械、化工机械、纺织机械、动力机械以及齿轮、轴承、传动轴等耐磨、耐疲劳的零部件生产中得到了广泛的应用，汽车离合器中的从动盘与减震盘大多采用08F材料冲压成型，以DSΦ350为例：有效尺寸Φ300×3.2mm，盘面上开有六个翻边窗口，热处理技术要求为：碳、氮共渗，渗层厚度0.25～0.5mm，维氏硬度HV≥700，平面度不大于0.2mm，属典型易发生热处理畸变零件；采用进口密封箱式炉进行碳、氮共渗，易发生平面度超差，只好通过回火工序用压胎校正或高频压淬来解决热处理畸变问题。
发明内容
本发明目的是提供一种可以降低共渗温度及淬火温度的硼碳氮三元共渗方法，它可以改善工件硬度、韧性、耐磨性等综合性能，工件变形小。
本发明的技术方案是：
一种硼碳氮三元共渗方法，将块状固态渗硼剂置于渗碳炉，与工件隔开放置，同时将碳、氮共渗液分别滴入渗碳炉，形成硼、碳、氮三元气相共渗，共渗温度780～880℃，共渗速度0.15～0.2mm/小时，出炉后油冷或水冷。
共渗温度较好为780～850℃；所述碳、氮共渗液分别为丙酮和二甲基甲酰胺，其中丙酮滴入速度为7～10毫升/分钟，二甲基甲酰胺滴入速度为4～6毫升/分钟；渗硼剂按重量百分比计，由氯化稀土1.5～3％，碳化硼5～12％，氟硼酸钾10～20％，粘结剂1～3％，碳化硅余量组成，渗硼剂的制备步骤是按所述组分水解后均匀混合，150～300℃烘干成块状，粒径为10～20mm；氯化稀土为氯化La或Ce稀土；粘结剂为羧甲基纤维素、淀粉或糊精。
本发明的有益效果是：
1.本发明可以降低共渗温度及淬火温度，由碳、氮共渗温度850～880℃降为硼、碳、氮三元共渗温度780～880℃，淬火温度由820～880℃降至750～820℃，工件变形量小，适用于对尺寸精度要求较高的工、模具及高耐磨件。
2.改善工件综合性能。本发明硼、碳、氮三元共渗可以使奥氏体区扩大，出炉后可在760℃左右淬火，维氏硬度HV700以上，相变应力减小，硼碳氮化物组织细小，提高硬度、韧性、耐磨性及抗疲劳强度。
3.采用本发明渗剂没有发生爆炸的可能性，渗剂配制简单，设备工艺简单，气体硼、碳、氮共渗通常在井式渗碳炉中进行、易控制，易于实现机械化、自动化。
附图说明
图1是本发明实施例1装置示意图。
图2是本发明硼、碳、氮三元共渗热处理工艺图。
图3是碳、氮共渗热处理工艺图。
具体实施方式
实施例1
汽车离合器中的从动盘与减震盘大多采用08F材料冲压成型，以DSΦ350为例：有效尺寸Φ300×3.2mm，渗硼剂按重量百分比计，由氯化La稀土2％，碳化硼10％，氟硼酸钾15％，粘结剂羧甲基纤维素2％，碳化硅余量组成，其制备是按上述组分水解后均匀混合，200℃烘干成块状，粒径为15mm。
1.热处理工装条件
采用RJQ-105-9井式气体渗碳炉，放射状组合模具，工件分别垂直吊挂，每炉240件，架梁上200～240件。
2.热处理工艺过程
如图1所示硼、碳、氮三元共渗装置采用井式气体渗碳炉，工件1置于盛料筐2中，盛料筐2底部设通气孔，块状固态渗硼剂3与工件1隔开放置，置于盛料筐2侧壁的渗剂框4中，碳、氮共渗液分别为丙酮和二甲基甲酰胺，其中丙酮滴入速度为8毫升/分钟，二甲基甲酰胺滴入速度为5毫升/分钟，于炉盖6上方分别自滴注器8的丙酮入口81及二甲基甲酰胺入口82滴入。装炉前滴入碳、氮共渗液进行渗空炉操作，以便通过排气口5排出炉内空气，工件热装炉，装炉温度为820℃，硼、碳、氮共渗工艺如图2所示，前期为排气期，目的是使炉内形成共渗气氛，时间60分钟，共渗温度820℃，共渗时间120分钟，炉盖6下方的导流风扇7由电机71驱动，导流风扇7外部设导风屏72，导流风扇7旋转带动所产生的硼、碳、氮原子均匀包围工件表面，从而形成硼、碳、氮三元气相共渗，出炉后立即用轨道吊车起吊出炉将工件淬火入油，运行4～5米后降至淬火油槽，共需要28～30秒，油冷，不需二次淬火，从而极大地减少热应力，工件淬透性好。
3.工艺效果分析
汽车离合器中的从动盘与减震盘渗层厚度要求达到0.25～0.5mm，每炉加入360～500克渗硼剂即可，渗硼剂中碳化硅的缓释作用，可以实现定量控制，本实施例渗硼剂用量360克，渗速0.15mm/H，渗层厚度0.3mm，硼、碳、氮共同渗入可以提高硬度，而且可以扩大奥氏体区，有效地降低共渗温度和淬火温度，防止工件变形，工件平面度超过0.2mm的仅为5％。表1为本实施例中一个从动盘硼、碳、氮共渗层断面显微硬度HV0.490分布情况，每个断面取五点平均值，由表可见，硬度分布较均匀，表面显微硬度为1197，距表面50.8微米处显微硬度为795，满足工件要求。
表1
  样品位置   平均显微硬度HV0.490   备    注
  表    面     1197 按照GB9790执行。
  距表面10.5微米     1413
  距表面29.4微米     1027
  距表面41.8微米     857
  距表面50.8微米     795
本实施例五件从动盘和五件减震盘维氏硬度HV5检测记录如表2所示，HV5平均值为五点取平均值：
表2
序号   产品名称    HV5(最高值)     HV5(最低值)     HV5(平均值)   渗层厚度(mm)
  1   从动盘     857     795     825     0.27
  2   从动盘     891     795     837     0.27
  3   从动盘     874     795     833     0.28
  4   从动盘     927     727     834     0.28
  5   从动盘     874     766     822     0.27
  6   减震盘     857     795     821     0.27
  7   减震盘     810     752     780     0.25
  8   减震盘     841     766     802     0.27
  9   减震盘     891     810     845     0.28
  10   减震盘     908     810     861     0.29
如图3所示碳、氮共渗工艺，采用850℃碳、氮共渗，共渗时间120分钟，渗层厚度达0.3mm后直接淬火，一是畸变较大，70％工件平面度超差，二是经常出现淬火硬度低于HV700，分析其原因主要是工件过薄，吊装运行入油时，已出现屈氏体转变所致。
本发明渗硼剂稀土的加入在化学热处理过程中起着两方面的重要作用，其一是活化催渗作用，它会加快丙酮、甲酰铵等渗剂的分解，以及活性硼、碳、氮原子被金属表面吸收和扩散等化学热处理过程，在硼、碳、氮共渗中能提高渗速，渗速在0.15～0.2mm/小时，可以实现定量预投；其二是微合金化作用，在渗入的过程中稀土元素本身亦被渗入到了钢件表面，可以改善渗入表层的金相组织和性能，可使渗入表层的硼、碳、氮浓度提高，碳化物数量增多并且细化，从而使耐磨性、抗腐蚀性、疲劳与接触疲劳强度提高。
实施例2
与实施例1不同之处在于：
40Cr钢为基体材料，在其表面进行硼、碳、氮三元共渗，渗硼剂按重量百分比计，其化学成分为氯化Ce稀土3％，碳化硼12％，氟硼酸钾20％，粘结剂淀粉3％，碳化硅余量，其制备是按上述组分水解后均匀混合，300℃烘干成块状，粒径为10mm；丙酮滴入速度为7毫升/分钟，二甲基甲酰胺滴入速度为4毫升/分钟，共渗温度880℃，共渗时间100分钟，油冷；渗剂用量500克，渗入速度为0.2mm/小时，渗层厚度为0.33mm，显微硬度HV0.4901100。
常用模具材质为Cr12MoV，其成本较高约17000元/吨，并且容易脆裂，采用本发明共渗40Cr钢可以取代Cr12MoV，材料成本为4000～5000元/吨，工艺成本为1000～2000元/吨，合计为5000～7000元/吨。
实施例3
与实施例1不同之处是：
20钢为基体材料，在其表面进行硼、碳、氮三元共渗，渗硼剂按重量百分比计，其化学成分为氯化Ce稀土1.5％，碳化硼5％，氟硼酸钾10％，粘结剂糊精1％，碳化硅余量，其制备是按上述组分水解后均匀混合，150℃烘干成块状，粒径为20mm。
丙酮滴入速度为10毫升/分钟，二甲基甲酰胺滴入速度为6毫升/分钟；共渗温度780℃，共渗时间120分钟，水冷；渗剂用量450克，渗入速度为0.15mm/小时，渗层厚度为0.3mm，显微硬度HV0.4901050。

Claims (7)

1.一种硼碳氮三元共渗方法，其特征在于将块状固态渗硼剂置于渗碳炉，与工件隔开放置，同时将碳、氮共渗液分别滴入渗碳炉，形成硼、碳、氮三元气相共渗，共渗温度780～880℃，共渗速度0.15～0.2mm/小时，出炉后油冷或水冷。
2.按照权利要求1所述硼碳氮三元共渗方法，其特征在于：共渗温度为780～850℃。
3.按照权利要求1所述硼碳氮三元共渗方法，其特征在于：所述碳、氮共渗液分别为丙酮和二甲基甲酰胺，其中丙酮滴入速度为7～10毫升/分钟，二甲基甲酰胺滴入速度为4～6毫升/分钟。
4.按照权利要求1所述硼碳氮三元共渗方法，其特征在于：渗硼剂按重量百分比计，其化学成分为氯化稀土1.5～3％，碳化硼5～12％，氟硼酸钾10～20％，粘结剂1～3％，碳化硅余量。
5.按照权利要求4所述硼碳氮三元共渗方法，其特征在于：渗硼剂的制备步骤是按所述组分水解后均匀混合，150～300℃烘干成块状，粒径为10～20mm。
6.按照权利要求4所述硼碳氮三元共渗方法，其特征在于：氯化稀土为氯化La或Ce稀土。
7.按照权利要求4所述硼碳氮三元共渗方法，其特征在于：粘结剂为羧甲基纤维素、淀粉或糊精。
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