專利名稱：稀土低溫高濃度氣體滲碳方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用稀土滲碳劑進(jìn)行氣體滲碳的方法。
目前國(guó)內(nèi)外各類機(jī)械制造廠廣泛采用的氣體滲碳工藝，包括井式滴注式氣體滲碳，密封箱式氣體滲碳或連續(xù)式氣體滲碳等，從工藝方法的本質(zhì)來(lái)說(shuō)，均是幾十年一貫制;即滲碳溫度920-940℃滲碳介質(zhì)無(wú)論是吸熱式可控氣氛。滴注式可控氣氛，以及近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的氮基氣氛滲碳等，均沒(méi)有采用任何催滲劑;滲后的金相組織的評(píng)定與檢查標(biāo)準(zhǔn)也沒(méi)有任何本質(zhì)上的差別。但這并不是說(shuō)在滲碳整體技術(shù)上沒(méi)有進(jìn)展。自80年代計(jì)算機(jī)在工藝過(guò)程的控制中獲得應(yīng)用以來(lái)，無(wú)論是滲碳設(shè)備結(jié)構(gòu)上的進(jìn)一步完善和合理化，及工藝過(guò)程的控制方面均取得了顯著的進(jìn)展。例如用計(jì)算機(jī)控制爐氣碳勢(shì)、滲碳層深度、金相組織等的精度、復(fù)現(xiàn)性和可靠性方面均獲得了巨大成功。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)自1983年發(fā)現(xiàn)稀土元素在碳氮共滲過(guò)程中的催化作用，并于1984年創(chuàng)制出稀土碳氮三元共滲新工藝，1985年創(chuàng)制出稀土碳二元共滲新工藝以來(lái)，目前國(guó)內(nèi)已有數(shù)十家工廠已用于生產(chǎn)，取得了較好效益。
但目前的滲碳工藝仍存在著下面一些缺點(diǎn)①溫度高能耗大;②滲碳淬火后零件變形大;③滲碳設(shè)備所用材料耐熱性能要求高;使用壽命短;④滲碳淬火后金相組織不夠理想，因而其使用性能如耐磨性和接觸疲勞等均不夠高，未能更充分地發(fā)揮滲碳鋼的潛在性能。
近年來(lái)創(chuàng)制的稀土碳二元共滲新工藝，從工藝原理與方法上與原工藝也沒(méi)有本質(zhì)差別，僅是利用了稀土的催滲作用，彌補(bǔ)了降低溫度后所代來(lái)的滲速減慢。
本發(fā)明的目的在于提出一種采用稀土催滲劑的低溫高濃度氣體滲碳方法，采用該方法可以獲得更快的滲速和較高滲碳濃度，從而達(dá)到提高金屬滲后表層碳濃度、優(yōu)化金相組織、節(jié)約能源、降低成本的目的。
基本原理1)高濃度滲碳的界限本發(fā)明是根據(jù)Fe-C二元相圖作為參考依據(jù)來(lái)劃分的在某一溫度下，在某一爐氣碳勢(shì)下對(duì)某一特定鋼種滲碳，所滲入碳的濃度可分為三種情況(1)低濃度滲碳所滲入的碳未達(dá)到該鋼在滲碳溫度下奧氏體飽和濃度(0.8～1.0%C)，淬火后金相組織基本上不出現(xiàn)碳化物。
(2)中濃度滲碳即滲入的碳濃度達(dá)到或略高于奧氏體的飽和濃度(1.0～1.3%C)，金相組織特征為在奧氏體晶界上析出連續(xù)或斷續(xù)碳化物網(wǎng)、或在晶界上形成串珠狀、爪狀等碳化物形態(tài)。
(3)高濃度滲碳滲入的碳濃度遠(yuǎn)高于奧氏體的飽和濃度(1.3～2.5%C)，金相組織的特征是除奧氏體晶界上優(yōu)先析出碳化物外，晶內(nèi)亦同時(shí)沉淀析出，碳化物呈顆粒狀均勻細(xì)小彌散分布。淬火后基體為隱晶馬氏體或細(xì)馬氏體，這種馬氏體有較高的強(qiáng)度和韌性。
2)低溫滲碳的必要性常規(guī)920-940℃溫度下的氣體滲碳，當(dāng)采用高濃度滲碳時(shí)，由于碳化物甚易在晶界偏聚并集聚長(zhǎng)大，因而幾乎得不到細(xì)小彌散分布的碳化物，甚至零件表面形成連續(xù)或斷續(xù)的碳化物殼。新工藝采用820-900℃低溫滲碳容易形成細(xì)小顆粒狀碳化物，且不易長(zhǎng)大。
3)稀土的重要作用①催滲作用在820-900℃溫度范圍內(nèi)，在完全相同條件下滲碳，滲劑中加入稀土的比不加的滲入速度可提高25～35%基本上可以彌補(bǔ)降低溫度所造成的速度損失。
②微合金化作用本發(fā)明大量試驗(yàn)結(jié)果證明，稀土優(yōu)先沿晶界擴(kuò)散，并同時(shí)由晶界向晶內(nèi)擴(kuò)散，盡管濃度梯度很低。但滲入速度卻很快。由于稀土的原子半徑比Fe的大40%多，因而稀土原子周圍的鐵原子點(diǎn)陣發(fā)生巨大畸變，C、N等間隙原子將優(yōu)先在這些畸變區(qū)偏聚，當(dāng)濃度達(dá)一定值后，即成為碳化物核心，進(jìn)而沉淀析出碳化物。由于稀土原子半徑與鐵原子的巨大差異，稀土原子在鐵中只能以稀固溶體的形式存在而不可能偏聚在一起，從而保證了碳化物核心的數(shù)量很多而彌散度卻很大。由于溫度很低沉淀出的碳化物不易聚集長(zhǎng)大，最終甚易獲得均勻細(xì)小彌散分布的碳化物。
本發(fā)明的要點(diǎn)在于采用稀土如混合的或單質(zhì)La和Ce的鹵化物、硝酸鹽或碳酸鹽組成的稀土催化滲劑或其它稀土化合物催滲劑，滲碳溫度為820-900℃，爐氣碳勢(shì)為1.3-2.0%。C本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)滲碳溫度低由原工藝920-940℃降至820-900℃，每干一爐活可節(jié)電25-35%，零件變形大約可減少1/2-1/3;
(2)金相組織優(yōu)異滲碳表層過(guò)共析區(qū)在隱晶馬氏體的基本上分布著細(xì)小彌散顆粒狀的碳化物，從而可提高滲碳表層強(qiáng)度和韌性及耐磨性、彎曲疲勞和接觸疲勞性能;
(3)滲入速度快在相同低溫度滲碳條件下，滲劑中加入稀土催滲劑，比不加的快25-35%。新工藝從裝爐到出爐的生產(chǎn)周期與原工藝相同，一般說(shuō)來(lái)，原工藝的滲層深度若采用中限，而新工藝的則為中下限;
(4)工藝簡(jiǎn)單可控性好工藝曲線較原工藝簡(jiǎn)化而減少人工操作程序。同時(shí)金相組織也更容易控制，因而新工藝的重復(fù)性、可靠性將比原工藝要好得多;
(5)成本低效益大新工藝是在滴注式可控氣氛滲碳基礎(chǔ)上，適當(dāng)添加稀土催滲劑而發(fā)展起來(lái)的。稀土添加劑非常便宜，每干一爐活成本＜4元，微不足道，滲劑不堵塞，無(wú)腐蝕。而產(chǎn)生的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益卻是巨大的。僅節(jié)電一項(xiàng)1臺(tái)90KW的井式滲碳爐每年可達(dá)5萬(wàn)余度。電爐絲壽命提高1倍，修爐周期達(dá)半年以上。
(6)通用性強(qiáng)新工藝系通用型滲碳工藝，適用于各類機(jī)械零件，各種滲碳鋼，尤其適用于淺層或中等滲層的各種滲碳。而對(duì)于鋼種來(lái)說(shuō)，含有Cr、Mo、V、Ti等易形成碳化物元素的更易獲得滿意金相組織。


圖1為稀土低溫高濃度氣體滲碳標(biāo)準(zhǔn)工藝曲線;
圖2為常規(guī)滲碳與稀土高濃度滲碳滲速統(tǒng)計(jì)平均值對(duì)比圖;
圖3為860℃稀土高濃度滲碳后的金相組織隱晶馬氏體加碳化物X400，材料20CrMnTi實(shí)施例本發(fā)明方法在拖拉機(jī)變速箱齒輪上進(jìn)行試驗(yàn)，采用《固液稀土化學(xué)熱處理催滲劑及其配制方法》(專利申請(qǐng)?zhí)?8104204.8)中所提出的稀土滲劑配方，采用圖1所示的工藝曲線在20GMmMo和20CrMnTi鋼上均十分成功。尤其對(duì)20CrMnTi鋼無(wú)論在滲碳速度與金相組織上均得到滿意效果(見(jiàn)附圖2和圖3)，力學(xué)性能測(cè)定指出，耐磨性、彎曲疲勞和接觸疲勞與原工藝相比，可提高15-40%視鋼種和具體工藝參數(shù)而不同。
新工藝的經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，統(tǒng)計(jì)指出節(jié)電率達(dá)25-35%，修爐周期由兩個(gè)月延長(zhǎng)到半年以上，爐絲壽命延長(zhǎng)1倍，裝齒輪的吊具壽命延長(zhǎng)了1/3以上。處理后的齒輪，花鍵內(nèi)孔和公法線變形可減少 1/2 ～ 1/3 ，變速箱裝配由難變易。
權(quán)利要求
1.一種稀土低溫高濃度氣體滲碳方法，其特征在于采用稀土化合物催滲劑，滲碳溫度為820-900℃，爐氣碳勢(shì)為1.3-2.0%C。
全文摘要
稀土低溫高濃度氣體滲碳是把低溫滲碳、稀土的催化和微合金化，以及高或超高碳勢(shì)結(jié)合起來(lái)的一種新工藝方法。其主要特點(diǎn)滲碳溫度范圍820-900℃，滲劑中含有稀土催滲劑，滲碳淬火后表面層的金相組織為強(qiáng)度與韌性較高的隱晶馬氏體，其上分布著細(xì)小彌散的顆粒狀碳化物。這種組織具有較高的耐磨性，彎曲疲勞和接觸疲勞強(qiáng)度較標(biāo)準(zhǔn)滲碳工藝提高15-40％，節(jié)約電能25-35％，減少變形，爐具壽命延長(zhǎng)1倍，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
文檔編號(hào)C23C8/22GK1061443SQ9010919
公開(kāi)日1992年5月27日 申請(qǐng)日期1990年11月13日 優(yōu)先權(quán)日1990年11月13日
發(fā)明者劉志儒, 王成國(guó), 聶眾, 潘肅, 唐志秀, 單永昕 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué), 鞍山紅旗拖拉機(jī)制造廠