專利名稱：一種鐵基燒結(jié)材料的離子氮碳共滲處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種離子氮碳共滲處理方法，特別涉及一種鐵基燒結(jié)材料的離子氮碳 共滲處理方法。
背景技術(shù)：
對于使用時(shí)接觸應(yīng)力不很高，但需要抗咬合、耐磨耗的復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)零件，一般要 求其既有高精度(如IT 6 IT 8級)又有高硬度(如表面硬度3 45HRC)，在選擇材料時(shí)， 鐵基燒結(jié)零件材料因其制作工藝特點(diǎn)，是設(shè)計(jì)者的首選。然而長期困擾設(shè)計(jì)者的因素之一， 是常規(guī)熱處理引起的零件變形問題。目前探討適用于鐵基燒結(jié)結(jié)構(gòu)零件強(qiáng)化的離子氮碳共滲工藝，具有提高零件表面 硬度后仍保持精整時(shí)的精度等級的特點(diǎn)，歐洲一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家從80年代起試驗(yàn)并已將 其應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中。由于鐵基燒結(jié)鋼結(jié)構(gòu)零件的成分特點(diǎn)不同于鋼材，又具有一些孔隙，并且存在一 定程度上的合金元素微觀擴(kuò)散不均勻與組織不均勻，因此不能完全照搬鋼鐵材料零件的離 子氮碳共滲的工藝參數(shù)及予處理方法，而且工藝參數(shù)對被處理零件的組織性能的影響規(guī)律 亦不同。針對國內(nèi)實(shí)際生產(chǎn)情況，對一般粉末冶金廠家都能生產(chǎn)的最常用的幾種鐵基燒結(jié) 零件材料進(jìn)行了離子氮碳共滲的試驗(yàn)，研究了鐵基燒結(jié)零件材料的化學(xué)成分、離子氮碳共 滲工藝參數(shù)對共滲層深度及表面硬度的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種在FeC燒結(jié)材料中添加Mo、Cu等合金元素， 明顯影響滲層深度和提高金屬材料表面硬度的離子氮碳共滲處理方法。為解決上述技術(shù)問題，所述的鐵基燒結(jié)材料的離子氮碳共滲處理方法，該方法通 過加熱金屬材料來處理所述金屬材料的表面，所述表面處理方法包括首先材料成分選擇鐵基燒結(jié)零件材料i^eC、FeCCu, FeCCuMo系列，采用雙向壓制的 方法制備IOmmX IOmmX IOmm壓坯，經(jīng)1120°C燒結(jié)，保溫lh，燒結(jié)保護(hù)氣氛為氮基氣氛，調(diào)節(jié) 壓坯密度以使燒結(jié)后材料的密度均為67g/cm3 ；離子氮碳共滲試驗(yàn)在IOkW離子滲氮爐中進(jìn)行，氮碳共滲氣氛為在90 10的氮?dú)?混合氣氛中，輸入丙酮C3H60以產(chǎn)生含碳?xì)夥眨浼尤肓吭? % 9%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，處理溫度 為540 640°C，保溫時(shí)間分別為l、2、3、5h，處理后隨爐冷卻；用D/maX-;3B型χ射線衍射儀分析表層相組成，通過金相顯微鏡觀察滲層組織并測 量滲層深度，用顯微硬度計(jì)測量表面硬度，負(fù)荷為IOOg;采用了以日本產(chǎn)雙波比色溫度儀為主構(gòu)成的精確測控溫的方式，供氣系統(tǒng)配用質(zhì)
量流量計(jì)。其中利用溶劑將所述氨基樹脂涂布于所述金屬材料的所述表面。其中使用三聚氰胺樹脂、尿素樹脂、苯胺樹脂或甲醛樹脂作為所述氨基樹脂。
其中通過在加熱所述金屬材料之后在所述金屬材料的所述表面上形成硬化層或 化合物層而對所述金屬材料的所述表面進(jìn)行改性。其中通過在加熱所述金屬材料的同時(shí)在所述金屬材料的所述表面上形成硬化層 或化合物層而對所述金屬材料的所述表面進(jìn)行改性。為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用了以日本產(chǎn)雙波比色溫度儀為主構(gòu)成的精確測 控溫的方式，供氣系統(tǒng)配用質(zhì)量流量計(jì)以消除可能造成試驗(yàn)誤差的因素。由于壓制工藝特性造成試樣正壓制面(與模沖端面接觸的壓坯面)和側(cè)壓制面 (與陰模型腔接觸的壓坯面)外表層的密度不同，以致試樣表面的氮碳共滲層組織結(jié)構(gòu)有 所差別，本發(fā)明僅對試樣的側(cè)壓制面進(jìn)行考察。
具體實(shí)施例方式對鐵基燒結(jié)零件材料進(jìn)行離子氮碳共滲處理后，其表面獲得的共滲層由化合物層 及擴(kuò)散層組成?；衔飳佑搔畔郲Fe2 3(N、C)]和Y ‘相(Fe4N)構(gòu)成。ε相為氮原子 有序占有F e的密排六角點(diǎn)陣中間隙位置的相結(jié)構(gòu)，Y'相為氮原子有序占有狗的面心立 方點(diǎn)陣中間隙位置的相結(jié)構(gòu)。擴(kuò)散層由α相和含氮的化合物組成。對于含氮化物形成元 素的材料，在擴(kuò)散層中可形成彌散分布的氮化物，對于i^eC、FeCCu材料，在擴(kuò)散層中可形成 針狀的Y'相析出。通過改變材料的化學(xué)成分和工藝參數(shù)，可得到不同的相含量。材料的 相結(jié)構(gòu)不同，亦表現(xiàn)出不同的韌性和硬度。研究滲層的相組成和層深，有助于控制材料的表 面組織結(jié)構(gòu)，以便獲得需要的表面性能。經(jīng)過580°C、保溫2h的離子氮碳共滲處理后，F(xiàn)eC, FeCCu, FeCCuMo幾種成分試樣 的X射線衍射相分析結(jié)果。在FeC材料中添加Cu，有助于增加相的含量，這可能與Cu 具有面心立方結(jié)構(gòu)有關(guān)。Mo是較強(qiáng)的氮化物、碳化物形成元素，共滲時(shí)會造成試樣表面較高的氮、碳濃度， 因此Mo的添加有利于提高ε相的比例。在580°C對試樣進(jìn)行共滲處理時(shí)，將氣氛中的Ν2 H2固定為9 1，把C3H60蒸氣 的輸入量分別調(diào)至占總氣氛體積分?jǐn)?shù)的 9%，保溫池，考察化合物層的深度。1#、2#、 3#三種成分試樣的化合物層均隨碳?xì)夥盏脑黾佣龊?，?dāng)C3H60蒸氣占?xì)夥湛偭康?%時(shí)， 均表現(xiàn)出極值性質(zhì)，大于7%后，化合物層厚度變薄。這是由于含碳?xì)夥毡壤黾邮固荚?滲入量增加，而碳的滲入可促進(jìn)化合物層增厚。當(dāng)氣氛中的碳含量達(dá)到較高濃度時(shí)，共滲過 程初始就滲入較多的碳原子并占據(jù)了大量的間隙位置，會阻礙氮的進(jìn)一步滲入，故延緩了 使化合物層在同一保溫時(shí)間內(nèi)的增厚速度。在進(jìn)行離子碳氮共滲時(shí)，固定共滲時(shí)間、氣氛組成等工藝參數(shù)，觀察了 FeC、FeCCu、 FeCCuMo三種成分的試樣滲層中的化合物層隨溫度變化的規(guī)律?；衔飳与S溫度升高而 增厚，這與N、C原子的滲入速度隨溫度提高而加快有關(guān)，在600 620°C時(shí)達(dá)到最大值。 620°C共滲處理后，F(xiàn)eC試樣的化合物層深度為23 μ m,FeCCu的為16 μ m ；600°C共滲處理后， FeCCuMo試樣的化合物層深度為20. 5 μ m。共滲溫度超過600 620°C，化合物層變薄，這可 能是過高的溫度加速了 N、C原子向材料基體內(nèi)部擴(kuò)散，使之不易在試樣表層富集，反而減 弱了形成化合物層的ε相或Y'相的濃度條件。對上述三種鐵基材料進(jìn)行離子氮碳共滲處理時(shí)，將溫度固定在580°C，丙酮通入量CN 102086501 A
說明書
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的體積分?jǐn)?shù)固定為7%，分別保溫1、2、3、證。三種成分的燒結(jié)鋼的滲層深度均隨保溫時(shí)間 延長而增加。有關(guān)致密鋼的化合物層厚度與共滲時(shí)間的研究表明，化合物層厚度隨保溫時(shí) 間的延長呈拋物線型規(guī)律增加，一般在保溫2 池后化合物層不再明顯增厚。但本文對燒 結(jié)鋼的試驗(yàn)觀察結(jié)果卻表明，其化合物層厚度與保溫時(shí)間幾乎是線性關(guān)系，這主要是粉末 冶金零件材料中存在一定量的孔隙，這些孔隙在氮、碳原子由表面向基體內(nèi)部的擴(kuò)散過程 中起到了通道的作用。因此隨共滲處理保溫時(shí)間的延長，化合物層的厚度增加。保溫證， FeC和i^eCCuMo試樣的化合物層深度可達(dá)洸μ m、FeCCu試樣為17. 5 μ m。碳?xì)夥蘸繉Ρ砻嬗捕鹊挠绊懺贜2 H2 = 9 1的氮?dú)錃夥罩?，調(diào)節(jié)的丙酮輸 入量，于5801對!^eC JeCCuM0燒結(jié)材料試樣進(jìn)行氮碳共滲處理(保溫池)。隨碳勢的增加 (加大C3H60的輸入量)，試樣表面硬度提高，在7%時(shí)達(dá)到最大值，F(xiàn)eC試樣的表面硬度為 600HV01 ,FeCCuMo試樣的為760HV01。當(dāng)碳?xì)夥赵鲋?%時(shí)，硬度降
低。這種變化趨勢與化 合物層厚度在相同處理?xiàng)l件下的變化情況相似。形成上述現(xiàn)象主要是由于共滲處理時(shí)碳原子滲入表層后，首先形成的微小 顆粒，雖然其硬度小于ε相，但這些質(zhì)點(diǎn)成為有利于ε相非自發(fā)形核的地點(diǎn)，因此隨碳?xì)?氛輸入量的增加，ε相的含量增加，所以硬度亦增加。當(dāng)碳?xì)夥蛰斎肓砍^7%后，F(xiàn)e3C的 含量明顯增多，化合物層的構(gòu)成為Fe3C+ ε相，以至造成表面硬度下降。當(dāng)保溫時(shí)間固定為池，碳?xì)夥阵w積分?jǐn)?shù)固定為7%，在不同溫度下對狗(、FeCCu, FeCCuMo燒結(jié)材料試樣進(jìn)行氮碳共滲處理，其中i^eCCuMo燒結(jié)材料試樣在不同溫度下的χ射 線衍射相分析結(jié)果。三種材料的表面硬度在580°C均出現(xiàn)峰值，F(xiàn)eC為650HV01，F(xiàn)eCCu為 640HV01，F(xiàn)eCCuMo為770HV01。這是由于580°C處理的試樣可獲得以ε相為主并有少量 Y'相的化合物層。ε相硬度大于Y'相，所以ε相含量高的試樣硬度也高。620°C處理 獲得的幾乎全部是Y ‘相，該試樣的表面硬度明顯降低。將溫度提高到640°C，又出現(xiàn)了少 量的ε相，因此在硬度上又略有回升。FeCCuMo試樣含少量的Mo，而Mo是較強(qiáng)的氮化物形成元素，在適當(dāng)條件下，形成的 MoN細(xì)小質(zhì)點(diǎn)可起到強(qiáng)化作用，故該試樣在580°C共滲后硬度明顯高于另外兩種材料。將溫 度增至600°C以上，MoN分解，失去強(qiáng)化作用，引起表面硬度下降?？疾炝嗽?80°C進(jìn)行氮碳共滲，碳?xì)夥阵w積分?jǐn)?shù)固定為7%時(shí)，保溫時(shí)間對材料表 面硬度的影響。發(fā)現(xiàn)保溫2h，F(xiàn)eCCu可獲得較高的表面硬度(640HV01)，保溫池則三種燒 結(jié)鋼均可獲得最高的表面硬度，F(xiàn)eC為770HV01，!^eCCu為650HV01，i^eCCuMo為880HV01，保 溫時(shí)間繼續(xù)延長到5h，F(xiàn)eC和i^eCCuMo材料的表面硬度又呈降低趨勢。僅!^eCCu材料在保 溫池到證范圍內(nèi)，硬度呈略有上升趨勢。
權(quán)利要求
1.一種鐵基燒結(jié)材料的離子氮碳共滲處理方法，該方法通過加熱金屬材料來處理所述 金屬材料的表面，所述表面處理方法包括首先材料成分選擇鐵基燒結(jié)零件材料I^eC、FeCCu, FeCCuMo系列，采用雙向壓制的方法 制備IOmmX IOmmX IOmm壓坯，經(jīng)1120°C燒結(jié)，保溫lh，燒結(jié)保護(hù)氣氛為氮基氣氛，調(diào)節(jié)壓坯 密度以使燒結(jié)后材料的密度均為67g/cm3 ；離子氮碳共滲試驗(yàn)在IOkW離子滲氮爐中進(jìn)行，氮碳共滲氣氛為在90 10的氮?dú)浠?合氣氛中，輸入丙酮C3H60以產(chǎn)生含碳?xì)夥眨浼尤肓吭? % 9%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，處理溫度為 540 640°C，保溫時(shí)間分別為l、2、3、5h，處理后隨爐冷卻；用D/maX-;3B型χ射線衍射儀分析表層相組成，通過金相顯微鏡觀察滲層組織并測量滲 層深度，用顯微硬度計(jì)測量表面硬度，負(fù)荷為IOOg ；采用了以日本產(chǎn)雙波比色溫度儀為主構(gòu)成的精確測控溫的方式，供氣系統(tǒng)配用質(zhì)量流 量計(jì)。
2.如權(quán)利要求1所述的鐵基燒結(jié)材料的離子氮碳共滲處理方法，其中利用溶劑將所述 氨基樹脂涂布于所述金屬材料的所述表面。
3.如權(quán)利要求1所述的鐵基燒結(jié)材料的離子氮碳共滲處理方法，其中使用三聚氰胺樹 脂、尿素樹脂、苯胺樹脂或甲醛樹脂作為所述氨基樹脂。
4.如權(quán)利要求1所述的鐵基燒結(jié)材料的離子氮碳共滲處理方法，其中通過在加熱所述 金屬材料之后在所述金屬材料的所述表面上形成硬化層或化合物層而對所述金屬材料的 所述表面進(jìn)行改性。
5.如權(quán)利要求1所述的鐵基燒結(jié)材料的離子氮碳共滲處理方法，其中通過在加熱所述 金屬材料的同時(shí)在所述金屬材料的所述表面上形成硬化層或化合物層而對所述金屬材料 的所述表面進(jìn)行改性。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種離子氮碳共滲處理方法，特別涉及一種鐵基燒結(jié)材料的離子氮碳共滲處理方法，本發(fā)明對不同化學(xué)成分的鐵基燒結(jié)零件材料進(jìn)行離子氮碳共滲處理，觀察工藝參數(shù)和合金元素對共滲層相組成、滲層深度、硬度的影響。共滲溫度、時(shí)間、氣氛等工藝參數(shù)以及在FeC燒結(jié)材料中添加Mo、Cu等合金元素，明顯影響滲層深度和提高表面硬度。本方法由于壓制工藝特性造成試樣正壓制面和側(cè)壓制面外表層的密度不同，以致試樣表面的氮碳共滲層組織結(jié)構(gòu)有所差別，本發(fā)明僅對試樣的側(cè)壓制面進(jìn)行考察。
文檔編號C23C8/38GK102086501SQ200910200099
公開日2011年6月8日 申請日期2009年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月8日
發(fā)明者田偉, 蔣飛翔 申請人:上海漢鑫硬質(zhì)合金有限公司