CN1898405A - 对钢制品进行渗碳的方法和由此得到的抗磨损性能提高的钢制品 - Google Patents

Abstract

一种钢制品和一种用来形成具有经硬质精加工的表面的一钢制品的方法，该表面包括预定密度的碳化物(30)以提高抗剥蚀和抗磨损性能并显著延长钢制品的整体寿命。该方法包括；选取一种渗碳级材料以形成一钢制品；对该制品进行渗碳以在制品的至少一部分上形成显微结构，制品的该部分具有预定密度的碳化物(30)，该碳化物在显微结构中分散到预定的深度；对制品进行淬火以形成分散有碳化物(30)的一硬化基质；以及对制品进行硬质精加工以形成表面，该表面具有分散在硬化基质中的至少为大约20％体积容量的碳化物(30)。

Description

对钢制品进行渗碳的方法和由此得到的抗磨损性能提高的钢制品

技术领域

本发明总的涉及一种热处理方法，尤其涉及一种对制品进行碳化物渗碳和硬化到一定的深度并随后进行硬质精加工的方法，以及由此得到的制品。

背景技术

渗碳是一种通过增加钢的暴露表面的碳含量来增加低碳纯钢或低碳、低合金钢的硬度的有效方法。当进行对诸如齿轮之类的钢制品进行渗碳以生成较硬的抗磨损外壳之后，这些经渗碳的钢制品可传送较高的转矩并具有较长的寿命。通常，将钢合金放置在碳含量大于钢的基本碳含量的气氛中并将其加热到钢的奥氏体转变温度以上。在所需量的碳扩散到制品中的预定深度之后，通过淬火来进行硬化。

气体渗碳是一种广泛应用的对钢进行渗碳的方法。作为一种扩散工艺，渗碳受钢成分中的合金组分以及诸如渗碳气体的渗碳能力、渗碳温度和渗碳时间等渗碳工艺参数的影响。

典型的渗碳寻求生成硬化的马氏体外壳，并带有一定量的残留奥氏体。一般认为，在渗碳过程中形成碳化物是不适宜的，因为它们会使材料弱化。碳化物会成为使应力集中和局部化的瑕疵并导致表面下裂纹。在其它的应用场合、诸如滚动和滑动应用场合，有意地生成碳化物以帮助对颗粒尺寸进行细化、减少摩擦或提高抗剥蚀和划伤性能。在有意生成碳化物的少数场合，对碳形态的控制以及避免产生可彻底降低性能的晶界纵横比较高的碳化物方面给予了较多的关注。碳化物层的深度通常是整个渗碳深度的一小部分。

另一个改进诸如齿轮齿之类的制品的性能和寿命的方法是通过提高几何精度来减少工作接触应力。对制品的硬质精加工导致几何精度提高，且制造公差配合更紧。无论是通过研磨、搪磨、刮削或某种其它的技术，硬质精加工都可消除由热处理或其它制造操作所产生的变形。

然而，日益增长的对更长的寿命和更高的功率的需求已经超出碳化物渗碳外壳或硬质精加工的表面的能力。硬质精加工和碳化物渗碳在过去是两种互相排斥的提高旋转接触的疲劳寿命的技术。在过去，硬质精加工将去除渗碳外壳中的碳化物薄层的大部分(如果不是全部的话)，而这些碳化物层又可使性能提高。本发明旨在将上述这两种延长寿命的技术结合以提供更长的寿命和更好的性能特性。

在本领域中，一些人已经作出了在表面以下生成碳化物的尝试。遗憾的是，其注意力集中在通过十分特定的工艺控制碳化物的形态以及产生精细的球状或类似球状的碳化物，同时又防止形成非球体的碳化物团块。然而，这一技术旨在生成精细的球状或类球状碳化物以在奥氏体晶界中减少网状或团状碳化物的形成或将其打碎。奥氏体晶界中的网状或团状碳化物通常是材料中的薄弱点或优先产生裂纹的点。

发明内容

应该理解，背景技术和以下的详细描述只是示例性和解释性的，它们并非对所要求保护的本发明的限制。

本发明涉及一种形成具有包括预定密度碳化物的表面的制品的方法。该方法包括：选取一种渗碳级材料以形成一制品；对该制品进行渗碳以在制品的至少一部分上形成显微结构，制品的该部分具有预定密度的碳化物，该碳化物在显微结构中分散到预定的深度；对制品进行淬火以在制品的至少一部分上形成分散有碳化物的一硬化基质；以及对制品的至少一部分进行硬质精加工以形成表面，该表面具有分散在硬化基质中的至少为大约20％体积容量的碳化物。

附图说明

结合在本说明书中并作为其一部分的附图示出了本发明的数个示例性实施例，且与本说明书一起用来揭示本发明的原理。在这些附图中：

图1是根据本发明的一个实施例的、接触疲劳寿命对表面碳化物百分比的曲线图。

图2是示出了本发明的一个实施例的渗碳循环中时间和温度关系的曲线图。

图3是已有技术所表示的碳化物渗碳外壳的蚀刻部分放大500倍的显微照片，用一种蚀刻剂使碳化物变暗而基质变亮。

图4是示出了根据本发明的一个实施例的渗碳循环中时间和温度关系的曲线图。

图5是根据图4所示本发明的一个实施例所生成的碳化物渗碳外壳的蚀刻部分放大500倍的显微照片，用一种蚀刻剂使碳化物变暗而基质变亮。

图6是示出了根据本发明的另一个可能的实施例的渗碳循环中时间和温度关系的曲线图。

图7是根据图6所示本发明的一个实施例所生成的碳化物渗碳外壳的蚀刻部分放大500倍的显微照片，用一种蚀刻剂使碳化物变暗而基质变亮。

图8是根据图6所示但采用一种与图7不同的组分的、本发明的一个实施例所生成的碳化物渗碳外壳的蚀刻部分放大500倍的显微照片，用一种蚀刻剂使碳化物变暗而基质变亮。

具体实施方式

现在将详细结合本发明的诸实施例，它们的实例显示在附图中。只要可能，在附图中将使用同样的标号来表示同样的或类似的零件。

形成一个制品的方法包括选择渗碳级别材料、对材料定型以形成制品、对材料进行渗碳以在制品的表面下形成碳化物、对制品淬火以形成硬化的基质、以及对制品进行硬质精加工以生成包括基本上为非球形碳化物的预定密度的表面。

对材料的选择会影响制品的可淬性以及碳化物的形成。用于该方法的典型材料具有重量成分在以下范围内的组分：

碳                0.08％-0.35％

锰                0.25％-1.70％

钼                0.20％-2.00％

铬                0.50％-2.50％

铜                0.00％-0.15％

镍                0.00％-0.10％

碳化物形成元素    1.00％-3.00％

可淬剂            0.00％-6.00％

颗粒精细元素      0.00％-1.00％

硅                0.00％-1.00％

铁和其余元素      平衡

使具有上述组分的制品形成预定的形状可包括(但不限于)由轧制钢材机加工、铸造或锻造、固结钢粉、或成形工艺的组合。这些制品可包括(但不限于)齿轮齿、轴承、轴和其它类似的可从旋转接触疲劳强度、抗刮擦性和抗腐蚀性中受益的物品。

图1是根据本发明的一个实施例的、接触疲劳寿命对表面碳化物百分比的曲线。该曲线是使用对在试验前受到同样的热处理但被研磨到不同深度的样品进行的齿轮滚柱试验机数据而得到的。图1中的趋势说明试验表面上较高的表面碳化物可使旋转和滑动接触疲劳寿命更长。本发明的一个实施例中，在经受旋转和滑动接触疲劳的制品表面上至少具有大约20％的碳化物，而且这些碳化物是通过控制渗碳工艺以在预定的硬质精加工深度上产生这个量的碳化物而形成的。可根据渗碳工艺的成本来控制硬质精加工深度处所产生的碳化物最大百分比以达到预定的深度，而且可根据因硬化深度而引起的特定应用对其进行限制。

图2是示出了本发明的一个实施例的渗碳循环中时间和温度关系的曲线图。在制品形成之后，可以随后根据这个循环对它进行一次或多次渗碳，从而构成碳化物渗碳工艺。可控制该工艺来产生大于大约20％体积百分比或更多的碳化物。这些碳化物散布在在整个显微结构中，可为各种形状和尺寸。如图2所示的渗碳循环始于将制品加热到渗碳段10。根据本发明的一个实施例，虽然根据所需的结果可以采用其它的温度，但渗碳段10应该保持大约850℃(1562)到1150℃(2100)的范围内的渗碳温度以及大致等于或大于渗碳温度的A_cm的含碳气氛。随后可根据所需的外壳厚度和渗碳循环的总的数量使该制品在渗碳段10上保持预定的时间。图2中的冷却段20将主要依赖于在制品中所要达到的碳化物数量和分布并且受到所使用的装置的类型的限制。虽然其它的冷却速度也是可能的，但冷却段的冷却速度在每个冷却气氛中通常可从2℃到200℃/分钟不等。

如上所述，碳化物渗碳工艺可包括反复进行如图2所示的渗碳循环。重复渗碳循环可使碳化物的形态、深度和分布明显改变。碳化物渗碳工艺的特性可依赖于实际应用、材料、工艺所能应用的时间以及其它可能的窑炉限制而定。

在碳化物渗碳工艺完成之后，可以进行硬化，而且也可进行一个或多个循环。典型的硬化循环会将制品加热到基本成分的A3温度以上。然而，期望使温度保持尽可能的低温以免碳化物分解。还希望能确保可避免碳从表面漏失的窑炉气氛。还会需要对窑炉环境添加氨以避免生成非马氏体转化产品，尤其由于许多的合金与碳化物紧密结合而无法为基质提供可淬性。在该温度下的时间通常由截面尺寸以及零件达到基本组分的A3以上的温度从而可开始淬火所需的总的时间来确定。该时间通常为从每25mm零件厚度大约15到90分钟中的任意一个。然后可以足够的速率进行淬火以形成预定的硬化基质。在某些情况中，可将零件淬火到恰好在马氏体起始温度(以下称作“Ms”)之上并保持等温以形成具有预定的贝氏体部分的基质。在其它情况下，可将这些零件淬火到低于Ms的温度以形成包括马氏体的基质或马氏体和残留奥氏体的混合物。

图3是已有技术所表示的碳化物渗碳外壳的蚀刻部分放大500倍的显微照片，用一种蚀刻剂使碳化物变暗而基质变亮。碳化物30集中在最初的50μm中。低于大约20％的体积成分的这一相对较低的碳化物密度出现在200μm的深度，因为图2的渗碳段10的时间被限制于集中在表面形成高密度的碳化物30。

图4是示出了根据本发明的一个实施例的渗碳循环中时间和温度关系的曲线图。该实施例示出了第一个碳化物渗碳循环40、第二个碳化物渗碳循环50和硬化循环60。渗碳段10在大约950℃的温度下开始并在去除了多余的甲烷的吸热气体的含碳气氛下保持大约5个小时。冷却段20进一步由强制冷却22、等温保持24和可选的气体冷却26组成。强制冷却22包括以大约2℃/分钟的速度将含碳气氛下的窑炉中的样品温度从渗碳段10处的温度降低到温度大约为680℃的等温保持24的水平。然后在气氛控制下将该循环在等温保持24保持2个小时，以免表面碳的损失。作为对强制冷却22和等温保持24的附加或替代方案，在第二个碳化物渗碳循环50重复进行热循环之前可进行气体冷却26。气体冷却26比强制冷却22冷却得更快。

在第二个碳化物渗碳循环50的气体冷却26之后，可通过再次加热到大约845℃并在含碳气氛下保持2小时来完成硬化循环60。然后可在油中以足够的速度对样品进行淬火以形成包括带有固有的残留奥氏体的马氏体的硬化基质。

图5是根据本发明的一个实施例的碳化物渗碳外壳的蚀刻部分放大500倍的显微照片，用一种蚀刻剂使碳化物变暗而基质变亮。利用图4中的受热经历中的两次渗碳循环和一次硬化循环来形成该样品。与图3相比，在表面以下200μm的碳化物30的密度要高得多。图5具有如下的材料组分：

碳                0.21％

锰                0.32％

硅                0.48％

钼                0.30％

铬                2.05％

铁和其余元素      平衡

图6是示出了根据本发明的另一个可能的实施例的渗碳循环中时间和温度关系的曲线图。该实施例示出了六个渗碳循环70和一个硬化循环80。每个渗碳段10在大约950℃的温度下开始并在去除了多余的甲烷的吸热气体的含碳气氛下保持大约5个小时。然后进行强制冷却22，以大约2℃/分钟的速度将含碳气氛下的窑炉中的样品温度从渗碳段10处的温度降低到大约为680℃的温度。然后温度回到渗碳段温度并重复该循环直到完成六个循环。在六个循环的渗碳段10结束时，对样品进行气体冷却26。

在第二个碳化物渗碳周期50的气体冷却26之后，可通过再次加热到大约845℃并在含碳气氛下保持2小时来完成硬化循环。然后可在油中以足够的速度对样品进行淬火以形成包括带有固有的残留奥氏体的马氏体的硬化基质。

图7和8是是根据图6所示本发明的一个实施例所生成的碳化物渗碳外壳的蚀刻部分放大500倍的显微照片，用一种蚀刻剂使碳化物变暗而基质变亮。虽然图8是根据与图7的显微照片相同的渗碳循环而形成的，但它是一种不同的材料。该样品具有如下的材料组分：

                图7         图8

碳              0.21％      0.20％

锰              0.88％      0.31％

硅              0.24％      0.48％

钼              0.33％      0.21％

铬              0.96％      2.41％

铁和其余元素    平衡        平衡

与图3相比，这两种样品在距离表面200μm之处具有较高的碳化物30密度。然而，在这些样品中所看到的碳化物30通常都比图5中所见的碳化物30大。图7和8之间的主要区别在于在显微结构中所显示出的碳化物30的尺寸和数量。碳化物30的数量在图8中较大，这是因为存在于基本材料中的碳化物形成材料的数量较大。图8中较小的碳化物30尺寸和较小的碳化物30间隙可能是由于材料中所增加的硅百分比含量所致。

如在以上图5、7和8所示，可通过材料和工艺的选择来控制碳化物30的尺寸、形态和深度。例如，由于碳化物形成材料数量的增加，图5、7和8可在深处具有较高体积含量的碳化物30。增加渗碳温度还可增加碳化物30在显微结构的预定深度处的体积含量。在渗碳段10过程中渗碳能力的增加还可增加碳化物的数量。如果硅的数量增加，则碳化物30会如图8所示的那样较小且较圆。在渗碳循环之间或在最后一次渗碳循环之后采用强制冷却22而非更快的气体冷却26还可使碳化物30更大。另外，通过增加渗碳循环的数量，较小的碳化物30会分解并重新沉淀到较大的碳化物30上。这将形成更大的碳化物30，同时仍可将晶界网络状的碳化物打破。

通过设计渗碳工艺，有可能选择碳化物的深度、尺寸、分布和密度。这有助于使制造商知道和确定硬质精加工的深度，从而在经精加工的表面上得到一定百分比或预定密度的碳化物。例如，可对图4、6和7中的样品进行硬质精加工以从样品的未处理表面上去除大约200μm，在经精加工的表面处的硬化基质中留下预定密度的碳化物。基本上为非球形的碳化物的百分比在表面处还可由于硬质精加工操作而更高。可以用许多方法来进行硬质精加工工艺而并不限于研磨、机加工、搪磨和刮削。

虽然已经示出了本发明的有限数量的实施例，但这些实施例以及甚至那些处于更加基础的水平的实施例已经显示出形成的碳化物30的数量是一致的。控制碳化物30的形成使用户可将碳化物30发展得更大且为基本非球形的尺寸。在过去，显示出这些较大的碳化物30可提高在滚动和滑动接触疲劳下的表面耐受性。通过在预定的深度处生成碳化物30，这些大块的碳化物现在可与硬质精加工结合使用。通常，碳化物越大和越呈块状就越好。此外，如果是在由硬质精加工所去除的深度中形成的话，沿晶界形成碳化物团块是没有问题的。

工业应用性

根据以上所形成的制品对于如齿轮齿、轴承、轴和类似的受到力的作用而会导致不适宜的磨损、剥蚀、刮伤及其它故障的物体尤其有用。从表面一直深入到材料中而形成碳化物并结合有对制品的至少一部分进行硬质精加工在严重磨损的应用场合、比如在滚动轴承中所见的尤其有利。按通常的理解，轴承可包括任何的轴承部件，比如轴承滚道以及包括滚珠和辊子的滚动构件。形成碳化物和硬化操作可在这些部件中的至少一个中进行。

由于对较长的寿命和较高的功率密度的要求不断增长，表面带有预定密度碳化物的经硬质精加工的制品是有利的。碳化物使材料强度增加，而随后的硬质精加工工作可增加几何精度，从而可更好地接触并减少在材料表面上的工作应力。这些工艺的结合可提高抗剥蚀和抗磨损性能，从而可显著增加制品的整体寿命。

通过有意地使碳化物形成得更深以使硬质精加工的原料更多，可在有用的范围内形成碳化物，从而使硬质精加工可将多种所处理的材料去除。可以预先确定用于硬质精加工的碳化物深度还可减少精加工过程的时间并提供明显提高的抗磨损和抗剥蚀性能。另外，在可进行硬质精加工以使所去除的原料总量最小之处可以得到较高的表面碳化物水平，而且甚至可以得到更高的抗剥蚀和抗磨损性能。

Claims (12)

1.一种在一预定深度处形成具有预定密度碳化物(30)的制品的方法，包括：

选取一种渗碳级材料以形成一制品；

对该制品进行渗碳以在制品的至少一部分上形成显微结构，该制品具有至少为大约20％体积容量的碳化物(30)，这些碳化物分散在制品表面以下至少大约100μm的显微结构中；以及

对制品进行淬火以在制品的至少一部分上形成在一预定深度处分散有预定密度碳化物(30)的一硬化基质。

2.如权利要求1所述的形成一制品的方法，其特征在于，它还包括：

硬质精加工制品的至少一部分以形成一表面，该表面具有分散在硬化基质中的至少为大约20％体积容量的碳化物(30)。

3.如权利要求2所述的形成一制品的方法，其特征在于，制品的表面包括至少为大约1.3％的碳。

4.如权利要求1所述的形成一制品的方法，其特征在于，表面处的碳化物(30)基本上为非球形的。

5.如权利要求1所述的形成一制品的方法，其特征在于，选择一种渗碳级材料包括选择这样一种材料，该材料包括以下分别以重量百分比计的大约0.08％到大约0.35％的碳、大约0.25％到大约1.70％的锰、大约0.20％到大约2.00％的钼、大约0.50％到大约2.50％的铬、不超过大约0.10％的镍、不超过大约0.15％的铜、大约1.00％到大约3.00％的碳化物形成元素、不超过6.00％的可淬剂、不超过1.00％的颗粒精细元素以及不超过1.00％的硅。

6.如权利要求1所述的形成一制品的方法，其特征在于，对制品进行渗碳包括：

将制品加热到从大约850℃到大约1150℃的渗碳温度；

将大致等于或大于渗碳温度下的A_cm的含碳气氛引入制品；

根据所需的预定外壳深度和预定渗碳循环数量将制品在渗碳温度和含碳气氛中保持一预定的时间；以及

以大约2℃/分钟到大约200℃/分钟的速度将制品冷却到大约650℃以下。

7.如权利要求6所述的形成一制品的方法，其特征在于，它还包括在淬火之前添加氨气。

8.如权利要求1所述的形成一制品的方法，其特征在于，硬化基质包括预定的贝氏体、马氏体以及马氏体和残留奥氏体的混合物之中的至少一种。

9.一种形成具有包括预定密度碳化物(30)的表面的制品的方法，包括：

选取一种渗碳级材料以形成一制品；

对该制品进行渗碳以在制品的至少一部分上形成显微结构，制品的该部分具有预定密度的碳化物(30)，该碳化物在显微结构中分散到预定的深度；

对制品进行淬火以在制品的至少一部分上形成分散有碳化物(30)的一硬化基质；以及

对制品的至少一部分进行硬质精加工以形成表面，该表面具有分散在硬化基质中的至少为大约20％体积容量的碳化物(30)。

10.如权利要求9所述的形成一制品的方法，其特征在于，对制品进行渗碳和淬火包括在制品的一硬化表面以下大约100μm处的一硬化基质中生成至少为大约20％体积容量的碳化物(30)。

11.一种硬质精加工过的制品，包括一表面的至少一部分，该部分在一硬化基质中具有至少大约20％体积容量的碳化物(30)。

12.如权利要求11所述的硬质精加工过的制品，其特征在于，在表面处的碳化物(30)基本上为非球形的。

Images