CN105369193A - 一种高碳钢零件表面处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高碳钢零件表面处理方法，在渗金属之前对零件进行氮碳稀***渗。与现有技术相比，本发明在渗金属处理前对高碳钢零件进行氮碳稀***渗预处理，在金属工件表面形成高于基体的碳浓度、较大的晶格畸变和较多的缺陷，从而有利于加速金属原子和碳原子扩散，使渗金属更加高效，并使渗层致密牢固。

Description

一种高碳钢零件表面处理方法
技术领域：
本发明涉及一种化学热处理方法，特别是金属表面渗金属热处理的方法。
技术背景：
一般使用条件下，钢材的失效多源于表面，表面强化技术可以使材料表面的成分、组织、结构发生变化，起到提高表面性能的作用，可以明显延长材料使用寿命。表面渗金属是金属零件表面强化的常见方法。
渗金属是使一种或多种金属原子渗入金属工件表层内的化学热处理工艺。将金属工件放在含有渗入金属元素的渗剂中，加热到一定温度，保持适当时间后，渗剂热分解所产生的渗入金属元素的活性原子便被吸附到工件表面，并扩散进入工件表层，从而改变工件表层的化学成分、组织和性能。部分渗金属处理不仅是渗剂金属原子渗入钢基体，还有渗剂原子与来自基体的碳或氮原子结合行程碳化物或氮化物或碳氮化物的覆层，例如渗铬、渗钒。渗金属的方法主要有固体法(如粉末包装法、膏剂涂渗法等)、液体法(如熔盐浸渍法、熔盐电解法、热浸法等)和气体法。金属元素可单独渗入，也可几种共渗，还可与其他工艺(如电镀、喷涂等)配合进行复合渗。与渗非金属相比，渗金属形成的渗层(或覆层)浅，渗速慢，一般须在较高温度下进行扩散。因而，通过怎样的处理工艺使得渗金属更加高效并能够形成致密坚硬牢固的渗层，以满足苛刻的工况要求，是本发明所要解决的技术问题。
现阶段金属零件渗金属研究较多的是盐浴渗金属和固体粉末法渗金属。
专利号为CN103526154A的中国专利公开了一种铬钒稀土多元共渗硼砂盐浴渗金属的渗剂和应用方法，首先在坩埚中熔化硼砂，再将渗剂、还原剂、活化剂、稀土放入熔化反应均匀，同时将工件预热，然后在900℃-980℃的温度下，在所述的渗剂中盐浴处理2-8小时，然后回火。所得渗层厚度约为0.01mm。盐浴渗金属设备简单，加热均匀，渗后可直接淬火，但工作环境恶劣，渗层质量不易控制，工作效率低下。
单纯采用固体粉末法渗金属，因为作为渗剂的金属元素原子半径较大，渗速很慢，并且容易在渗层与基体中间行程贫碳层，影响零件质量。目前通常做法是先在工件表面渗碳，在工件表面形成晶格畸变和碳浓度梯度，然后再做渗金属处理。
专利号为CN101033554A的中国专利公开了一种高碳钢销轴渗钒复合处理工艺，首先将高碳钢做渗碳处理，然后在高温箱式炉中采用固体粉末法渗钒，渗钒温度950℃-990℃，渗钒时间6-8小时。渗钒后工件做等温淬火。所得渗层厚度为0.01mm-0.02mm。但这种方法仍具有缺陷：一是高碳钢含碳量高，不容易渗碳，二是渗碳淬火容易引起零件变形。
发明内容：
为了解决现有技术中盐浴渗金属工作环境恶劣，渗层质量不易控制，工作效率低下以及高碳钢不容易渗碳，而且淬火容易引起零件变形的问题，本发明提供一种高碳钢零件表面处理方法。
本发明的技术方案为：
一种高碳钢零件表面处理方法，在渗金属之前对零件进行氮碳稀***渗。与现有技术相比，本发明在渗金属处理前对高碳钢零件进行氮碳稀***渗预处理，在金属工件表面形成高于基体的碳浓度、较大的晶格畸变和较多的缺陷，从而有利于加速金属原子和碳原子扩散，使渗金属更加高效，并使渗层致密牢固。
本发明中所述高碳钢，含碳量大于0.60％，其中优选轴承钢。
优选的是：零件在预处理-氮碳稀***渗前要去油去锈；
优选的是：氮碳稀***渗方式为气体氮碳稀***渗。
优选的是：气体氮碳稀***渗的渗剂为稀土催渗剂和氮碳渗剂，所述氮碳渗剂包括氨气以及任选自甲醇、乙醇、丙烷、甲烷的一种或几种的组合；和/或所述氮碳渗剂包括甲酰胺、三乙醇胺、碳酰胺的一种或多种。稀土催渗剂溶于甲醇、乙醇或甲酰胺中，稀土催渗剂与溶剂的体积比为1∶50～1∶200。
优选的是：氮碳稀***渗温度为560℃-600℃，共渗保温时间为1-5小时，渗后零件直接淬入油中。与现有技术相比，氮碳稀***渗在低温下进行，避免了零件的淬火变形。优选的是：零件经氮碳稀***渗后去掉表面油污和氧化膜。
优选的是：渗金属过程在箱式炉或密封好的转炉中进行。
优选的是：渗金属中的元素为铬、钒、铝、硼、锌中的一种或几种。
优选的是：渗金属的方法为固体粉末法。
优选的是：渗金属温度为900℃-1100℃，零件与渗剂质量比为0.8∶1-1.5∶1，渗金属保温时间为5-12小时；渗剂中混合有分散剂、催化剂等，零件与渗剂混合均匀。
优选的是：渗金属后还包括等温淬火。
优选的是：等温淬火零件在850℃-920℃保温30-60分钟，盐浴淬火液温度250℃-350℃，淬火时间30-60分钟。与现有技术相比，等温淬火避免了渗金属层与基体因热应力引起的容易开裂的问题。
优选的是：零件等温淬火后抛光。
本发明采用了以上技术方案，在高碳钢零件渗金属前对零件做氮碳稀***渗预处理，使零件表面形成碳、氮、稀土的浓度梯度、晶格畸变和空位、位错等缺陷，在零件表层形成高能状态和利于原子扩散的通道，有利于金属元素的渗入，在同样的渗金属条件下，经氮碳稀***渗预处理的工件比未经预处理的工件渗层厚度显著提高。同时为钢基体表面提供了足够的碳、氮原子以行程碳化物、氮化物和碳氮化物。进一步的氮碳稀***渗在低温下进行，避免了零件的淬火变形。后续的等温淬火，避免了渗金属层与基体因热应力引起的容易开裂的问题。本发明通过低温氮碳稀***渗-渗金属-等温淬火，渗层质量易控制，工作效率高，且大幅度提高了高碳钢的表面硬度，避免淬火的变形和开裂。
具体实施方式：
对比例1：选取GCr15圆棒为试验材料，棒料长30mm，直径8mm，去油去锈后做渗铬钒处理，渗铬钒温度980℃，保温8小时。
对比例2：选取GCr15圆棒为试验材料，棒料长30mm，直径8mm，放入网带炉做渗碳处理，其中渗碳剂为丙烷，稀释剂为甲醇，渗碳温度880℃，碳势1.2％。渗碳时间2小时，淬入淬火油中。将工件表面油污、铁锈去掉后，做渗金属处理。渗金属工艺同对比例1。
对比例3：选取GCr15圆棒为试验材料，棒料长30mm，直径8mm，放入井式气体氮碳共渗炉做氮碳共渗处理，其中渗碳剂为甲醇，渗氮剂为氨气，氮碳共渗温度570℃，氨气流量200L/h。共渗时间1小时，淬入淬火油中。将工件表面油污、铁锈去掉后，做渗金属处理。渗金属工艺同对比例1。
实施例1：选取GCr15圆棒为试验材料，棒料长30mm，直径8mm，放入井式气体氮碳共渗炉做氮碳稀***渗，其中渗碳剂为甲醇，渗氮剂为氨气，稀土催渗剂溶于甲醇中，稀土催渗剂与甲醇的体积比为1∶80，氮碳共渗温度570℃，氨气流量200L/h。共渗时间1小时，淬入淬火油中。将工件表面油污、铁锈去掉后，做渗金属处理。渗金属工艺同对比例1。
实施例2：选取GCr15圆棒为试验材料，棒料长30mm，直径8mm，放入井式气体氮碳共渗炉做氮碳稀***渗，其中渗碳剂为甲烷，渗氮剂为氨气，稀土催渗剂溶于甲烷中，稀土催渗剂与甲烷的体积比为1∶100，氮碳共渗温度580℃，氨气流量200L/h。共渗时间1小时，淬入淬火油中。将工件表面油污、铁锈去掉后，做渗金属处理。渗金属工艺同对比例1。
上述实施例中，渗金属层厚度对比如下表：
试验 渗金属层厚度/mm 零件表面显微硬度/HV
对比例1 0.005-0.008 1500-2000
对比例2 0.010-0.020 2020-2100
对比例3 0.020-0.025 2030-2230
实施例1 0.023-0.030 2300-2600
实施例2 0.024-0.032 2360-2680
由上表可知，工件经氮碳稀***渗处理后，渗金属速率和渗层硬度明显提高。

Claims (10)

1.一种高碳钢零件表面处理方法，其特征在于：在渗金属之前对零件进行氮碳稀***渗。
2.如权利要求1所述的一种高碳钢零件表面处理方法，其特征在于：氮碳稀***渗方式为气体氮碳稀***渗。
3.如权利要求2所述的一种高碳钢零件表面处理方法，其特征在于：气体氮碳稀***渗的渗剂为稀土催渗剂和氮碳渗剂，所述氮碳渗剂包括氨气以及任选自甲醇、乙醇、丙烷、甲烷的一种或几种的组合；和/或所述氮碳渗剂包括甲酰胺、三乙醇胺、碳酰胺的一种或多种。
4.如权利要求3所述的一种高碳钢零件表面处理方法，其特征在于：稀土催渗剂溶于甲醇、乙醇或甲酰胺中，稀土催渗剂与溶剂的体积比为1∶50～1∶200。
5.如权利要求1所述的一种高碳钢零件表面处理方法，其特征在于：氮碳稀***渗温度为560℃-600℃，共渗保温时间为1-5小时。
6.如权利要求1所述的一种高碳钢零件表面处理方法，其特征在于：渗金属中的元素为铬、钒、铝、硼、锌中的一种或几种。
7.如权利要求1所述的一种高碳钢零件表面处理方法，其特征在于：渗金属的方法为固体粉末法。
8.如权利要求1所述的一种高碳钢零件表面处理方法，其特征在于：渗金属温度为900℃-1100℃，零件与渗剂质量比为0.8∶1-1.5∶1，渗金属保温时间为5-12小时。
9.如权利要求1所述的一种高碳钢零件表面处理方法，其特征在于：渗金属后还包括等温淬火。
10.如权利要求9所述的一种高碳钢零件表面处理方法，其特征在于：等温淬火零件在850℃-920℃保温30-60分钟，淬火液温度250℃-350℃，淬火时间30-60分钟。
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