专利名称：工件高温渗碳工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于零件的表面处理技术领域，特别是涉及ー种エ件高温渗碳エ艺。
背景技术：
保护环境、节约能源是热处理行业改进、推广的必行路线和面临的重要课题。金属零件渗碳淬火处理是量多、面广且耗能巨大的ー种加工エ艺，是热处理行业节能降耗改革的突破口之一。高温渗碳如同其他化学热处理一祥，渗碳由分解、吸附、扩散三过程所组成，随温 度提高加快渗剂的分解速度，从而加快了活性碳原子的形成过程，提高了活性碳原子供给浓度，有助于渗碳进程。活性碳原子被灼热エ件表面吸收侵入晶体而溶解，碳在晶体中的溶解度以及活性碳原子向エ件内部迁移(扩散)是渗碳过程的关键，即是渗碳过程控制因子。如图I所示，碳原子在奥氏体中迁移趋向浓度均匀发生扩散，扩散速度是确定渗层厚度的决定性因素。渗碳过程中碳的扩散和温度、气氛组成，钢的化学成分、合金元素含量以及零件原始组织、晶格类型等因素有关，和浓度梯度、扩散方式有更加密切联系。渗碳初始阶段渗层浓度梯度不断提高，有利于扩散进行，但当渗层达到饱和时渗层浓度梯度随时间延长而逐步减小，按扩散定律，渗层厚度δ和时间t呈抛物线关系，如果碳势过高，超过奥氏体溶解度Cm线，将形成碳化物。定义CP是热处理专用的计量单位，名称叫“碳势”，与其它值没有换算关系，无量纲，计量范围是O. O2. 0，例如1. 05CP. “碳势”是炉温、C0%、炉压的函数。碳势定义表征含碳气氛在一定温度下改变エ件表面含碳量能力的參数(GB/T7232-1999)“Λ Z D”是氧化物的标准生成自由能。量纲KJ/mol/02氧化物的标准生成自由能“Λ Z D”定义各稳定的物质(金属元素、低价氧化物)在氧的分压为一大气压(O. IMPa)条件下，与Imol氧化合，而生成氧化物的自由能变化。用该“Λ Zd ”值的大小表示物质对氧的亲和カ的大小(也称为-氧位-的大小)
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供ー种减少渗碳时间、降低能源消耗的エ件渗碳エ艺。本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是ー种エ件渗碳エ艺，其特征为渗碳的前半段温度为980°C，后半段温度为1010°C。由于碳在Y-Fe中的溶解度随温度提高而加大，即在状态图中沿ES线变化，当时间、气氛相同条件下渗碳温度越高碳在奥氏体中溶解量越大，表面碳浓度越高，由于活性碳原子热震动由表面向内部迁移流越大，速度越快，使渗层加厚，如图I所示，同时渗层浓度梯度变缓，渗层与心部结合更加牢固，如图2所示。扩散是控制渗碳最重要的控制因子，而温度又是影响扩散最突出因素，其关系可用扩散系数D与扩散激活能Arrhenius经验公式描述D=D0e-ED/ET(D0-频率因子；R_气体常数；ED_扩散激活能；T-绝对温度)[C ( y-Fe) DO=O. 07+0. 06cm2/Min ；ED=32000 卡 / 克原子]计算出温度从920°C提高到1000°C时扩散系数提高7倍以上，可见提高温度显著增大扩散系数，増加渗碳深度。
H. E Harris渗碳经验公式δ =K V tmm表I是渗碳温度与K值的关系。当温度由930°C提高到1010°C时有效渗碳层提高一倍左右。由此可见温度是提高渗碳速度、増加渗层深度的突出因素。表I渗碳温度与K值关系
温度(°c) —K —温度(°C)_K —温度(X)_K _温度ぐC)_K —
70Π 0.1201 I 800 0.27291 900 0.5391! 1000 0.95695710 0.13137 810 0.29380 910 0.57344 1010 1.00849720 0.14442 S20 0.31585 920 0.60935730 0.15631 830 0.33911 930 0.64682740 0.17006 S40 0.36363 940 0.68543750 0.18472 850 0.38942 950 0.72676760 0.20032 860 0.41657 960 0.76923770 0.21691 870 0.44507 970 0.81346780 0.23450 880 0.47496 980 0.85947_790 _ 0.25316 _890 _ 0.50630 _990 _ 0.90729 _扩散是渗碳过程的控制因子，温度对扩散影响最突出。本发明还可以采用以下技术方案渗碳时将碳势高、低分为多段循环。在加热温度为980°C时碳势为I. 6和I. O矩形波循环，在加热温度为1010°C时，碳势为I. 7和I. I矩形波循环。渗碳过程中碳的扩散和温度、气氛组成，钢的化学成分、合金元素含量以及零件原始组织、晶格类型等因素有关，和浓度梯度、扩散方式有更加密切联系。渗碳初始阶段渗层浓度梯度不断提高，有利于扩散进行，但当渗层达到饱和时渗层浓度梯度随时间延长而逐步减小，按扩散定律，渗层δ和时间t呈抛物线关系，如果碳势过高超过奥氏体溶解度Cm线，将形成碳化物。
碳在Y-Fe中扩散属于间隙固溶体中溶质原子扩散，碳原子从ー个间隙跳到另ー个间隙保证涌道的通畅，使分解、吸收、扩散三个过程相适应有条不紊地进行，防止活性碳原子不足或过剩在通道ロ发生拥堵，欲速则不达。如果盲目加大某ー过程，如一味长时间保持高CP值，反而适得其反渗速慢、组织不佳，出现大块或网状碳化物，或零件表面形成碳黑阻碍随后渗碳进程。采用高温、分段、‘CP’循环控制渗碳法将高温渗碳过程按温度分为高温、更高温(由于温度变换时间过长，一般不宣多段)两段，而将碳势高、低分为多段循环，高碳势段エ件表面形成较高浓度梯度和一定层深后将碳势降低，使扩散涌道通畅，表面吸附能力恢复之后再次提高碳势，往复循环多次，这种渗碳法具有渗速快、表面碳浓度适当，渗层梯度平缓、组织细化、节省渗剂、节约能源。是渗碳理想エ艺。每循环段高、低碳势时间比例经验公式 Tc=T1 [(Cd-C0)/(Cc-C0)]Tc-高碳势时间；T「分段总时间；Οτ原材料C% ；Cc, Cd高低碳势“CP”值采用可控气氛多用炉进行渗碳处理，内氧化现象目前仍未彻底根除，设备、エ艺不断改进能够将内氧化控制在技术要求范围内。就同一设备同等エ艺条件高温渗碳合金元素氧化趋势较低温渗碳低，由图5可知，随温度升高，Λ Zd増大，各种金属的氧化愈难进行，金属对氧的亲和カ减小，即合金元素氧化趋势降低。在同样渗层情况下采用高温渗碳比一般渗碳晶粒并未明显长大，相反高温渗碳所用时间缩短抵消了高温的影响，特别是深层渗碳一般采用再次加热淬火，发生组织重結晶，使组织更加细化。高温渗碳零件抗拉强度、夏氏冲击韧性均无大变化，甚至有所提高。高温渗碳，合金元素氧化趋势更小、组织更加细化。原材料化学成分(质量分数％),碳、合金元素含量对高温渗碳影响及修正碳原子、合金元素对渗层表面质量有重大影响，和渗层残余奥氏体、网状碳化物存在与否有密切关系，同时也显著地影响心部组织与性能。碳含量高，渗层浓度梯度扩散通量[J=-D (dc/dx)]变小，降低了碳在扩散层深度，更重要是提高了钢的淬硬性和淬透性同样高温渗碳エ艺，原材料碳的质量分数不同，其有效渗层和心部硬度差异很大，直接影响渗碳合格与否。形成碳化物的合金元素(Cr、Mo、Ti、W等)使渗层浓度梯度陡峭，但也加大了碳在奥氏体内扩散速度。而非碳化物形成合金元素(Ni、Co等)则相反。绝大部分合金元素都使共析点含碳量降低，増加有效硬化层深度，特别是能増加碳在马氏体中过饱和溶解所造成的強烈固溶強化，大大提高渗层硬度，虽用含碳量评审(金相法)渗层显薄(和碳钢比)但有效(硬度法)渗层厚。根据合金元素含量对碳势的修正经验公式L0gK=:S >% O, 055—ど,,In A O. 013—:Cr X O. 040-1；Xi 八 O. 014~:；λΙο λ O, 013(原定)‘CPY’值 /K =(新设定)‘CPX’ 值。由于渗碳钢含碳及合金元素不同，渗后淬火エ艺參数及时修正极为重要。
图I温度对渗层表面碳浓度、渗层深度的影响示意图2温度对渗层浓度梯度的影响图3溶质原子间隙式扩散图4碳循环示意图；图5合金元素氧化物的Λ Z D -T图；图6采用本发明处理的销套エ件尺寸图；图7是对图6所示的エ件采用RJJ-105-9井式渗碳炉进行渗碳エ艺曲线，RJJ-105-9井式渗碳炉是国家部颁通用标准设备型号，是本领域里通用的规范；图8是对图6所示的エ件在普通气氛控制下用UBE-600型多用炉渗碳エ艺曲线， UBE-600型多用炉是日本国东方公司，企业规定型号；图9是采用图8所示エ艺的表面组织金相图；图10是采用图8所示エ艺的心部组织金相图；图11是实施例I所示的高温渗碳エ艺曲线图；图12是实施例I的高温渗碳エ艺碳势实际运行记录曲线；图13是实施例Iエ件装炉方式的示意图；图14是渗碳缓冷表面渗层的金相图；图15高温渗碳后淬火、回火エ艺曲线图16是采用图15所示エ艺的淬火、回火后エ件的表面组织金相图；图17是采用图15所示エ艺的淬火、回火后エ件的心部组织金相18是对实施例I进行渗碳淬火处理的エ艺曲线图
具体实施例方式为能进一歩了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下实施例I :以某销套的渗碳处理为例，销套尺寸如图6所示，エ件的热处理技术要求见表2表2エ件的热处理技术要求
权利要求
1.一种エ件高温渗碳エ艺，其特征为渗碳的前半段温度为980°c，后半段温度为IOlO0Co
2.如权利要求I所述的エ件渗碳エ艺，其特征在于渗碳时将碳势高、低分为多段循环。
3.如权利要求2所述的エ件渗碳エ艺，其特征为在加热温度为980°C时碳势为I.6和I.O矩形波循环，在加热温度为1010°C吋，碳势为I. 7和I. I矩形波循环。
全文摘要
本发明涉及一种工件渗碳工艺，其特征是渗碳的前半段温度为980℃，后半段温度为1010℃。优点是高温深层渗碳工艺能保证另件的热处理质量，其组织更加细化，工件性能完全可以和普通渗碳相媲美，比常规渗碳工艺可减少30-50%处理时间。进而可减少能量消耗(水、电、气)；减少废气排放(CO2、CO)；降低消耗(甲醇、液化气)。对非本质细晶粒钢采用高温渗碳工艺，可两次加热重结晶淬火予以细化组织，采用本工艺进行渗碳，节省渗碳时间、降低能源消耗。
文档编号C23C8/20GK102828143SQ201210313648
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月30日 优先权日2012年8月30日
发明者于铁生, 李学东, 闫钧 申请人:天津创真金属科技有限公司