專(zhuān)利名稱(chēng)：一種超飽和滲碳鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超飽和滲碳鋼，屬黑色金屬材料合金鋼及滲碳方法的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
伴隨著社會(huì)的進(jìn)步，機(jī)械產(chǎn)品日漸傾向于輕、薄及短小化，所生產(chǎn)的機(jī)械設(shè)備日趨小型化和高性能化，這就強(qiáng)烈地要求機(jī)械零件具有更高的力學(xué)性能和良好的可靠性，普通滲碳鋼常規(guī)滲碳熱處理時(shí)，滲碳層表面的含碳量為0.8～1.0％，顯微組織為在馬氏體和殘余奧氏體所構(gòu)成的基體上分布著碳化物，碳化物的存在及其數(shù)量和形態(tài)對(duì)于提高機(jī)械零件表面的硬度、強(qiáng)度及耐磨性起著至關(guān)重要的作用。
機(jī)械零件滲碳過(guò)程中，當(dāng)滲碳爐內(nèi)氣氛碳勢(shì)大于碳在奧氏體中達(dá)到飽和時(shí)的活度，便可生成碳化物，稱(chēng)為超飽和滲碳，為進(jìn)一步提高機(jī)械零件的力學(xué)性能，在鋼的滲碳處理中，欲增加碳化物的數(shù)量而采用在較高碳勢(shì)條件下進(jìn)行超飽和滲碳時(shí)，往往會(huì)沿奧氏體晶界析出網(wǎng)狀碳化物或形成粗大角狀碳化物，而碳化物形態(tài)的惡化將導(dǎo)致其力學(xué)性能顯著下降，為不合格品，目前在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有專(zhuān)用的超飽和滲碳鋼。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的就是針對(duì)背景技術(shù)的不足，采用一種新的合金鋼——鉻錳鉬釩硅鋼，用氣體滲碳法進(jìn)行超飽和滲碳，使機(jī)械零件表層的滲碳層達(dá)1.5mm含碳量達(dá)到2～3％，顯微組織馬氏體和殘余奧氏體構(gòu)成的基體上彌散分布大量細(xì)小顆粒狀合金碳化物，以大幅提高機(jī)械零件的力學(xué)性能——硬度、強(qiáng)度、耐磨性，填補(bǔ)我國(guó)超飽和滲碳鋼的科研空白。
技術(shù)方案本發(fā)明使用原料為丙酮、甲醇、機(jī)油、合金鋼試棒，其組合參數(shù)、量比如下以毫升、毫米為計(jì)量單位丙酮CH3COCH3、10000ml±100ml甲醇CH3OH、10000ml±100ml機(jī)油10000ml±100ml合金鋼試棒Φ20×150mm合金鋼試棒化學(xué)元素成分、重量組合為鉻錳鉬釩硅鋼鉻 Cr2.7～3.2％錳 Mn1.1～1.4％鉬 Mo0.4～0.6％釩 V 0.3～0.5％硅 Si0.7～0.9％碳 C 0.18～0.38％鐵 Fe92.98～95.62％其它元素 0.06％氣體超飽和滲碳方法如下1)、機(jī)械加工鉻錳鉬釩硅鋼試棒將Φ20×150mm的鉻錳鉬釩硅鋼試棒在車(chē)床上精車(chē)外圓、端面，表面粗糙度Ra0.32～0.64μm；2)、試棒表面不得有水分、油污、銹斑、傷痕、裂紋等缺陷，并進(jìn)行清理；3)、清理井式滲碳爐開(kāi)啟滲碳爐，用壓縮空氣清理滲碳爐內(nèi)壁，清除污物、碳黑及雜質(zhì)，使其潔凈；4)、置放鉻錳鉬釩硅鋼試棒在井式滲碳爐中部的網(wǎng)狀金屬料筐內(nèi)，垂直置放鉻錳鉬釩硅鋼試棒；5)、升溫并向滲碳爐中滴加甲醇①關(guān)閉滲碳爐爐蓋，打開(kāi)排氣孔；
②滲碳爐升溫，由室溫升溫至600℃～650℃時(shí)，開(kāi)啟循環(huán)風(fēng)扇；③繼續(xù)升溫至750℃～780℃時(shí)滴加甲醇，滴入速度120～140滴/min；④在升溫過(guò)程中，溫度從750℃升至920℃之間，持續(xù)滴加甲醇，邊滴加、邊升溫、邊裂解、邊排出廢氣，在920℃保溫30min，以便充分排出廢氣，排氣結(jié)束后點(diǎn)燃噴焰咀；在滴加甲醇過(guò)程中將發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)式如下
式中CO 一氧化碳CO2 二氧化碳H2O 水CH4 甲烷6)、滴加滲碳劑丙酮、稀釋劑甲醇、氣體滲碳、直接淬火①滲碳爐升溫至925℃±5℃時(shí)，恒溫保溫480min±10min，爐內(nèi)碳勢(shì)保持在1.1％±0.05％；②繼續(xù)滴加甲醇，滴加速度100～110滴/min；③滴加滲碳劑丙酮碳勢(shì)采用氧探頭測(cè)定，并由碳勢(shì)、溫度智能控制器控制，通過(guò)自動(dòng)控制電磁閥調(diào)整滲碳劑滴量，控制爐內(nèi)碳勢(shì)；在滴加甲醇、丙酮過(guò)程中，甲醇、丙酮將汽化，并裂解，在碳勢(shì)1.1％±0.05％的狀態(tài)下，進(jìn)行氣體滲碳，并進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)式如下
④降溫冷卻，直接淬火停止加熱，當(dāng)溫度降至830-840℃，保溫30min后停止滴加丙酮、甲醇，開(kāi)爐取出試棒，將試棒快速直接置于機(jī)油中進(jìn)行淬火，使其在機(jī)油中冷卻至室溫；7)、回火處理①將淬火后的試棒，放入回火爐中，在170～180℃溫度下，保溫180min；②取出試棒，置于自然空氣環(huán)境中冷卻至室溫；8)、檢測(cè)、分析、表征
①用金相顯微鏡分析觀察，顯微組織為回火馬氏體和殘余奧氏體構(gòu)成的基體上彌散分布著大量細(xì)小顆粒狀合金碳化物，碳化物顆粒平均直徑為D＝0.3～0.4μm；②用顯微硬度計(jì)測(cè)定滲碳層深度為1.5mm；③用洛氏硬度計(jì)測(cè)量試棒表面硬度為HRC67～70；④用剝層化學(xué)分析法，檢測(cè)滲碳層碳濃度分布，表層含碳量為2～3％；9)、存儲(chǔ)在滲碳后的試棒表面涂覆機(jī)油，用軟質(zhì)材料包裝，置于干燥環(huán)境中保存。
所述的鉻錳鉬釩硅鋼氣體超飽和滲碳是以合金鋼——鉻錳鉬釩硅鋼為滲碳基體，鉻錳鉬釩硅鋼化學(xué)元素成分、重量比為鉻 Cr2.7～3.2％錳； Mn1.1～1.4％鉬 Mo0.4～0.6％釩 V 0.3～0.5％硅； Si0.7～0.9％碳； C 0.18～0.38％鐵 Fe92.98～95.62％其它元素 0.06％所述的鉻錳鉬釩硅鋼氣體超飽和滲碳，是以甲醇為稀釋劑、以丙酮為滲碳劑、以機(jī)油為淬火冷卻劑。
所述的鉻錳鉬釩硅鋼氣體超飽和滲碳，滲碳爐爐腔溫度由室溫升溫至925℃±5℃，滴加滲碳劑丙酮、稀釋劑甲醇，恒溫保溫480min±10min，丙酮由汽化并裂解，高溫下滲入試棒合金鋼表面，然后降溫，當(dāng)溫度降至830～840℃，保溫30min后，將試樣直接快速置于機(jī)油中進(jìn)行淬火，淬火后在機(jī)油中冷卻至室溫，在滲碳過(guò)程中，滲碳爐內(nèi)碳勢(shì)氣氛保持在1.1％±0.05％。
有益效果本發(fā)明與背景技術(shù)相比具有明顯的先進(jìn)性，主要針對(duì)機(jī)械零件對(duì)力學(xué)性能的要求，采用一種特定的合金鋼——鉻錳鉬釩硅鋼，用氣體滲碳法進(jìn)行超飽和滲碳，使機(jī)械零件表層的含碳量達(dá)到2～3％，滲碳層深度達(dá)1.5mm，顯微組織為馬氏體和殘余奧氏體構(gòu)成的基體上彌散分布大量細(xì)小顆粒狀合金碳化物，從而大幅提高零件的力學(xué)性能——硬度、強(qiáng)度、耐磨性，采用鉻錳鉬釩硅鋼試棒，在井式滲碳爐內(nèi)滴注稀釋劑甲醇、滲碳劑丙酮，在925℃±5℃時(shí)滲碳480min±10min，并保持爐內(nèi)碳勢(shì)在1.1％±0.05％，在830～840℃保溫30min后直接油冷淬火，在170～180℃溫度下保溫180min回火，通過(guò)滲碳、淬火、回火處理后，鉻錳鉬釩硅鋼的滲碳層深度達(dá)1.5mm，滲碳層含碳量達(dá)2～3％，顯微組織為馬氏體和殘余奧氏體構(gòu)成的基體上彌散分布著大量細(xì)小顆粒狀合金碳化物，碳化物顆粒平均直徑為D＝0.3～0.4μm，檢測(cè)結(jié)果表明表層硬度可達(dá)HRC67～70，和普通合金滲碳鋼的滲碳層相比硬度提高了20～25％，耐磨性提高了90％，此超飽和滲碳鋼及滲碳技術(shù)可在多種工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用。


圖1為超飽和滲碳鋼滲碳工藝流程2為井式氣體滲碳爐結(jié)構(gòu)3為超飽和滲碳工藝規(guī)范曲線4為鉻錳鉬釩硅鋼925℃±5℃滲碳后橫切面放大400倍金相5為鉻錳鉬釩硅鋼830～840℃淬火后橫切面放大2000倍金相6為鉻錳鉬釩硅鋼170～180℃回火后放大400倍金相中所示，附圖標(biāo)記如下1、爐座，2、爐體，3、爐蓋，4、丙酮滴加器，5、甲醇滴加器，6、熱電偶，7、氧探頭，8、電阻加熱器，9、排氣孔，10、合金鋼試棒，11、料筐，12、爐腔，13、零件座，14、循環(huán)風(fēng)扇，15噴焰咀。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明圖1所示，為超飽和滲碳鋼滲碳工藝流程圖，是鉻錳鉬釩硅鋼試棒氣體滲碳及后續(xù)處理的全過(guò)程，要嚴(yán)格按滲碳程序操作。
氣體超飽和滲碳使用的稀釋劑為甲醇、滲碳劑為丙酮、直接淬火冷卻劑為機(jī)油，各材料要嚴(yán)格精選，氣體超飽和滲碳是在井式滲碳爐內(nèi)進(jìn)行的，在滲碳爐上部設(shè)有丙酮滴注器、甲醇滴注器，先滴加甲醇，以排出爐腔內(nèi)廢氣，然后滴加滲碳劑丙酮，在925℃±5℃狀態(tài)下，甲醇、丙酮汽化并裂解，廢氣排出，碳勢(shì)保持在1.1％±0.05％狀態(tài)下，分解出的活性碳原子滲入到鉻錳鉬釩硅鋼表面并向內(nèi)擴(kuò)散，達(dá)到飽和后生成合金碳化物，滲碳層深度可達(dá)1.5mm，表層含碳量可達(dá)2～3％，處于超飽和狀態(tài)。
鉻錳鉬釩硅鋼中的Cr、Mo、V、Si合金化作用的關(guān)鍵是強(qiáng)碳化物形成元素Cr、Mo、V和非碳化物元素Si在滲碳過(guò)程中，Cr、Mo、V元素將積極、迅速與碳元素結(jié)合，有利于形成大量的合金碳化物，Si元素在晶界有偏析傾向，分布在晶界的Si可降低界面，能阻礙碳化物在晶界處形核，避免網(wǎng)狀碳化物的形成，同時(shí)還可阻礙碳的擴(kuò)散，減緩碳化物的長(zhǎng)大速度，使碳化物顆粒細(xì)小，分布均勻，碳化物顆粒平均直徑為D＝0.3～0.4μm，氣體超飽和滲碳、淬火、油冷、回火、空冷、檢測(cè)、分析、表征，要按步驟進(jìn)行，保持工序的連續(xù)性。
氣體超飽和滲碳的參數(shù)、數(shù)值、時(shí)間、溫度，要嚴(yán)格控制，以保持操作和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
超飽和滲碳后產(chǎn)品試樣要置于干燥的環(huán)境中，要防氧化，防酸堿浸蝕，要及時(shí)進(jìn)行后續(xù)加工、形成最終產(chǎn)品。
圖2所示，為井式氣體滲碳爐結(jié)構(gòu)圖，爐座1的上部為爐體2，爐體2呈圓筒井式，爐體2內(nèi)部為爐腔12，爐腔12內(nèi)中間為零件座13，零件座13上部為料筐11，料筐11內(nèi)為合金鋼試棒10，爐體2的頂部為爐蓋3，爐蓋3上部設(shè)有丙酮滴加器4、甲醇滴加器5、排氣孔9、循環(huán)風(fēng)扇14，爐體2的外側(cè)設(shè)有熱電偶6、氧探頭7，爐體2的右側(cè)部設(shè)有電阻加熱器8、噴焰咀15，氧探頭7主要是測(cè)量爐腔12內(nèi)的碳勢(shì)氣氛，熱電偶6主要是測(cè)量爐腔12內(nèi)的溫度，排氣孔9主要是排出廢氣，電阻加熱器8控制爐腔內(nèi)的溫度升降。
圖3所示，為氣體超飽和滲碳工藝規(guī)范曲線圖，圖中可知，滲碳溫度由室溫升至925℃±5℃時(shí)相交于A點(diǎn)，恒溫保溫480min±10min，為AB區(qū)段，然后降溫至830-840℃，相交于C點(diǎn)，為CD段，再油冷至室溫，相交于E點(diǎn)，隨后加熱至170-180℃，相交于F點(diǎn)，為FG段，隨后空冷至室溫，相交于H點(diǎn)。
圖4所示，為925℃±5℃滲碳、830-840℃油淬后試棒橫切面顯微組織圖，圖中可知滲碳層碳化物顆粒彌散分布在馬氏體和殘余奧氏體構(gòu)成的基體上，標(biāo)尺單位為20μm。
圖5所示，為925℃±5℃滲碳、830～840℃油淬后試棒橫切面SEM照片，圖中可知滲碳層碳化物顆粒彌散分布在馬氏體和殘余奧氏體構(gòu)成的基體上，標(biāo)尺單位為20μm。
圖6所示，為鉻錳鉬釩硅鋼925℃±5℃滲碳、830～840℃油淬、170～180℃回火顯微組織圖，滲碳層碳化物顆粒彌散分布在回火馬氏體和殘余奧氏體構(gòu)成的基體上，標(biāo)尺單位為20μm。
權(quán)利要求
1.一種超飽和滲碳鋼，其特征在于使用的材料為丙酮、甲醇、機(jī)油、合金鋼試棒，其組合參數(shù)、量比如下以毫升、毫米為計(jì)量單位丙酮CH3COCH3、10000ml±100ml甲醇CH3OH、10000ml±100ml機(jī)油10000ml±100ml合金鋼試棒Φ20×150mm合金鋼試棒化學(xué)元素成分、重量組合為鉻錳鉬釩硅鋼鉻Cr2.7～3.2％錳Mn1.1～1.4％鉬Mo0.4～0.6％釩V 0.3～0.5％硅Si0.7～0.9％碳C 0.18～0.38％鐵Fe92.98～95.62％其它元素0.06％氣體超飽和滲碳方法如下1)、機(jī)械加工鉻錳鉬釩硅鋼試棒將Φ20×150mm的鉻錳鉬釩硅鋼試棒在車(chē)床上精車(chē)外圓、端面，表面粗糙度Ra0.32～0.64μm2)、試棒表面不得有水分、油污、銹斑、傷痕、裂紋等缺陷，并進(jìn)行清理；3)、清理井式滲碳爐開(kāi)啟滲碳爐，用壓縮空氣清理滲碳爐內(nèi)壁，清除污物、碳黑及雜質(zhì)，使其潔凈；4)、置放鉻錳鉬釩硅鋼試棒在井式滲碳爐中部的網(wǎng)狀金屬料筐內(nèi)，垂直置放鉻錳鉬釩硅鋼試棒；5)、升溫并向滲碳爐中滴加甲醇①關(guān)閉滲碳爐爐蓋，打開(kāi)排氣孔；②滲碳爐升溫，由室溫升溫至600℃～650℃時(shí)，開(kāi)啟循環(huán)風(fēng)扇；③繼續(xù)升溫至750℃～780℃時(shí)滴加甲醇，滴入速度120～140滴/min；④在升溫過(guò)程中，溫度從750℃升至920℃之間，持續(xù)滴加甲醇，邊滴加、邊升溫、邊裂解、邊排出廢氣，在920℃保溫30min，以便充分排出廢氣，排氣結(jié)束后點(diǎn)燃噴焰咀；在滴加甲醇過(guò)程中將發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)式如下式中CO 一氧化碳CO2二氧化碳H2O水CH4甲烷6)、滴加滲碳劑丙酮、稀釋劑甲醇、氣體滲碳、直接淬火①滲碳爐升溫至925℃±5℃時(shí)，恒溫保溫480min±10min，爐內(nèi)碳勢(shì)保持在1.1％±0.05％；②繼續(xù)滴加甲醇，滴加速度100～110滴/min；③滴加滲碳劑丙酮碳勢(shì)采用氧探頭測(cè)定，并由碳勢(shì)、溫度智能控制器控制，通過(guò)自動(dòng)控制電磁閥調(diào)整滲碳劑滴量，控制爐內(nèi)碳勢(shì)；在滴加甲醇、丙酮過(guò)程中，甲醇、丙酮將汽化并裂解，在碳勢(shì)1.1％±0.05％的狀態(tài)下，進(jìn)行氣體滲碳，并進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)式如下④降溫冷卻，直接淬火停止加熱，當(dāng)溫度降至830-840℃，保溫30min后停止滴加丙酮、甲醇，開(kāi)爐取出試棒，將試棒快速直接置于機(jī)油中進(jìn)行淬火，使其在機(jī)油中冷卻至室溫；7)、回火處理①將淬火后的試棒，放入回火爐中，在170～180℃溫度下，保溫180min；②取出試棒，置于自然空氣環(huán)境中冷卻至室溫；8)、檢測(cè)、分析、表征①用金相顯微鏡分析觀察，顯微組織為回火馬氏體和殘余奧氏體構(gòu)成的基體上彌散分布的大量細(xì)小顆粒狀合金碳化物，碳化物顆粒平均直徑為D＝0.3～0.4μm；②用顯微硬度計(jì)測(cè)定滲碳層深度為1.5mm；③用洛氏硬度計(jì)測(cè)量試棒表面硬度為HRC67～70；④用剝層化學(xué)分析法，檢測(cè)滲碳層碳濃度分布，表層含碳量為2～3％；9)、存儲(chǔ)在滲碳后的試棒表面涂覆機(jī)油，用軟質(zhì)材料包裝，置于干燥環(huán)境中保存。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超飽和滲碳鋼，其特征在于所述的超飽和滲碳鋼是以合金鋼——鉻錳鉬釩硅鋼為滲碳基體，鉻錳鉬釩硅鋼化學(xué)元素成分、重量比為鉻Cr2.7～3.2％錳Mn1.1～1.4％鉬Mo0.4～0.6％釩V 0.3～0.5％硅Si0.7～0.9％碳C 0.18～0.38％鐵Fe92.98～95.62％其它元素0.06％
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超飽和滲碳鋼，其特征在于所述的氣體超飽和滲碳，是以甲醇為稀釋劑、以丙酮為滲碳劑、以機(jī)油為淬火冷卻劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超飽和滲碳鋼，其特征在于所述的鉻錳鉬釩硅鋼氣體超飽和滲碳，滲碳爐爐腔溫度由室溫升溫至925℃±5℃，滴加滲碳劑丙酮、稀釋劑甲醇，恒溫保溫480min±10min，丙酮由汽化并裂解，高溫下滲入合金鋼試棒表面，然后降溫，當(dāng)溫度降至830～840℃，保溫30min后，將試樣直接快速置于機(jī)油中進(jìn)行淬火，淬火后在機(jī)油中冷卻至室溫，在滲碳過(guò)程中，滲碳爐內(nèi)碳勢(shì)氣氛保持在1.1％±0.05％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超飽和滲碳鋼，其特征在于滲碳層深度可達(dá)1.5mm，滲碳層含碳量可達(dá)2～3％，顯微組織為回火馬氏體和殘余奧氏體構(gòu)成的基體上彌散分布著大量細(xì)小顆粒狀合金碳化物。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超飽和滲碳鋼，采用一種新的合金元素鋼，即鉻錳鉬釩硅綱，用氣體滲碳法進(jìn)行超飽和滲碳，以大幅度提高鉻錳鉬釩硅鋼滲碳層硬度、強(qiáng)度、耐磨性，鉻錳鉬釩硅鋼試棒在井式滲碳爐內(nèi)，滴加稀釋劑甲醇和滲碳劑丙酮，在925℃±5℃、碳勢(shì)1.1％±0.05％的狀態(tài)下，在480min±10min時(shí)間內(nèi)，完成超飽和滲碳，滲碳層深度可達(dá)1.5mm，滲碳層含碳量可達(dá)2～3％，顯微組織為馬氏體和殘余奧氏體構(gòu)成的基體上彌散分布著大量細(xì)小顆粒狀合金碳化物，經(jīng)830～840℃油冷淬火、170～180℃低溫回火處理，鉻錳鉬釩硅鋼表面硬度值可達(dá)HRC67～70，其硬度比現(xiàn)有技術(shù)提高20～25％，耐磨性提高90％，是十分理想的超飽和滲碳鋼及滲碳方法。
文檔編號(hào)C23C8/22GK101058865SQ20071006203
公開(kāi)日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2007年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月30日
發(fā)明者石巨巖, 田曉青, 張丙靜, 梁偉, 侯增壽, 謝貴生, 昌敬源 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)