本发明涉及钢件的表面强化处理技术领域，具体的说是一种用于高速铁路轴承的稀土高碳铬钢及其盐浴扩渗工艺。
背景技术：
高铁轴承作为高速列车机械传动系统的关键行走构件之一，其性能、寿命和可靠性成为整车的稳定性、安全性的制约因素。以编组质量为451t的CRH5轴箱轴承为例，以平均值估算，每套轴承载荷约为68.7kN，最大滚动体载荷约为7.6kN，内圈滚道与滚子的接触应力约为810MPa。目前，国内用于列车轴承的钢种包括高碳铬轴承钢（GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo等）和渗碳轴承钢（G20CrNiMo、G20CrNi2Mo、G20Cr2Ni4等）两种类型。其中，渗碳轴承钢具有高的硬度、疲劳强度和耐磨性，同时芯部还会具有高的强韧性，广泛用于制造铁路轴承套圈。然而，渗碳钢的价格较为昂贵，且热处理成本比高碳铬轴承钢高2~4倍，渗碳工序尾气含有大量恶化环境的CO2和CO。因此，亟需一种成本合理且硬度、耐磨性和冲击韧性均优的新钢材来替代渗碳钢。
目前，盐浴渗入法是一种应用非常广泛的表面处理技术。经过盐浴渗入处理后可以较好地提高基体强度、硬度、耐磨和耐腐蚀性能，而且盐浴渗入形成的新相与基体结合紧密，附着力强，可以承受较大的载荷而不剥落、破坏。如中国专利CN1072733A公开一种稀土催渗离子渗氮新技术，提出采用La和Ce的混合稀土进行催渗氮的思路，但是催渗剂存在配方复杂、活性较低等问题。中国专利CN101033554A中公开一种高碳钢销轴渗钒复合处理工艺，采用固体粉末法渗钒，渗钒温度950~990℃，时间为6~8小时。盐浴设备操作简单实用，加热均匀，渗后可直接淬火处理。但碳层厚度不匀且质量不易控制，工作效率低。
技术实现要素：
为了克服现有技术中的高铁轴承用合金钢表面碳化层厚度不匀，综合性能差等技术缺陷，本发明提供了一种高铁用表面强化稀土高碳铬钢及其制备工艺，通过调整熔盐的组分、配比以及制备工艺，实现了稀土高碳铬钢高强度、表面高硬度和高韧性的合理匹配。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种高铁用表面强化稀土高碳铬钢，该稀土高碳铬钢的基体为GCr15钢件，在基体的外表面盐浴渗入处理形成有一层厚度为6～11μm的金属碳化层，该金属碳化层包括以下质量百分比的组分：0.01%～0.12%的Al，0.27%～0.35%的稀土元素，0.002%～0.035%的Ba，1.21%～1.32%的Cr，0.12%～0.28%的Si，0.27%～0.38%的Mn，0.97%～1.03%的C，所述的稀土元素为钇和钕中的一种或两种。
所述的稀土元素为两种时，钇和钕的质量比为1:1～1:4。
一种高铁用表面强化稀土高碳铬钢的制备工艺，包括以下步骤：
（1）、基体预处理：将GCr15钢件放入甲醇或汽油中进行清洗，之后对清洗后的GCr15钢件进行表面抛光，得到预处理后的基体，备用；
（2）、配制熔盐：按照质量百分比，分别称取1%~5%的Al粉、6%~9%的NaF、3.6%~9.75%的NaCl和31.5%~70.2%的BaCl2置于盐浴炉内，充分混合后，加热至810~850℃进行溶化，之后，向盐浴炉内加入质量百分比为15%~50%的稀土氯化物，搅拌均匀后，于810~850℃条件下进行加热2~3h，得到熔盐，备用；
所述的稀土氯化物为YCl3和NdCl3中的至少一种；
（3）、化学熔渗：控制步骤（2）制得的熔盐温度为850~900℃，将步骤（1）预处理后的基体经650~680℃预热后，埋入该熔盐中，进行加热2~5h，之后，控制熔盐温度升温至950~1030℃，并在该温度下进行保温3~6h；
（4）、淬、回火：将步骤（3）经过化学熔渗后的钢件取出，淬入410~430℃的恒温槽内进行保温0.5~1h，之后，将恒温槽内的钢件转置于785~805℃温度下进行等温球化退火1~2h，退火后空冷至室温，再转置于840~860℃条件下进行3~4次阶梯脉冲式循环淬火-回火，保温5~10min，之后，采用100℃的工业用水对钢件表面进行清洗，然后，置于150~160℃条件下进行回火保温处理1~2h，之后，采用100℃的清洗液对钢件表面进行再次清洗，即得到成品高铁用表面强化稀土高碳铬钢。
在步骤（2）中，所用的盐浴炉为封闭式盐浴炉，且该盐浴炉内配置有自动搅拌装置。
在步骤（4）中，所用的清洁液为质量浓度为5%的NaNO2溶液。
在步骤（4）中，所述的淬、回火处理为双细化工艺。
在步骤（4）中，所述的淬、回火处理采用阶梯脉冲循环加热方式。
本发明的有益效果：
（1）、本发明所制备的表面强化稀土高碳铬钢，通过熔盐的组分和配比的调整，以及扩渗工艺中众多参数的把控，使熔盐中的钇、钕、铝、钡等金属原子能够和GCr15钢件基体中的碳、氮原子产生化学反应，并进而扩散在钢件基体表面形成含有钇、钕的金属碳化层。钇、钕稀土元素的加入在熔融盐浴中可以起到活化催渗作用，并能有效改善工件表层的组织和性能。制备工艺中，封闭式盐浴炉的使用有效减弱了熔盐成分的挥发；利用盐浴炉的自动搅拌装置，还减小了盐浴的偏析；油淬步骤中采用阶梯脉冲循环加热的方式，有效降低了盐浴能耗，保证了熔盐中的金属原子和钢件基体中的碳、氮原子能够进行充分的化学反应，进而扩渗到基体内；盐浴后的钢件热处理采用双细化处理工艺，即将钢件淬入恒温槽内短时保温后，进行短时间等温球化退火，再经过多次阶梯脉冲循环淬火-回火，能够达到碳化物和晶粒的双细化效果。钇、钕原子渗入工件表面形成渗层后，起到了表面强化作用，改变了渗层组织结构并细化了组织，有效提高了硬化层深度，改善了耐磨性、显微硬度和抗腐蚀性等。实现了稀土高碳铬钢高强度、表面高硬度和高韧性的合理匹配。
（2）、本发明所制备的表面强化稀土高碳铬钢，通过熔融盐浴、分级淬火、回火等工艺操作，使成品表面强化稀土高碳铬钢的渗层厚度不小于6μm，且厚度均匀，综合性能好，经测定，该渗层室温表层硬度不小于59.8HRC，抗拉强度不小于1116MPa、冲击韧性不小于15J/cm2，能较好地满足高速铁路用轴承钢件性能的要求。
附图说明
图1为GCr15钢件在淬、回火处理过程中的工艺流程图。
具体实施方式
下述实施例仅对本发明作进一步详细说明，但不构成对本发明的任何限制。
一种高铁用表面强化稀土高碳铬钢的制备工艺，包括将GCr15钢件置于含稀土及铝粉的中性熔盐封闭式盐浴炉内，通过熔盐中的金属原子和钢件基体中的碳、氮原子产生化学反应，扩散在钢件基体表面形成含有稀土元素的金属碳化层。本发明所述的稀土元素为钇、钕，可以以单一元素加入，也可以混合两种同时加入，两种稀土元素同时加入时按钇和钕的质量比为1:1～1:4，引入形式为钇、钕的氯化物。
一种制备本发明稀土高碳铬钢的盐浴工艺，该工艺包括下列步骤：
（1）、基体预处理：将GCr15钢件放入甲醇或汽油中进行清洗，之后对清洗后的GCr15钢件进行表面抛光，得到预处理后的基体，备用；
（2）、配制熔盐：按照质量百分比，分别称取1%~5%的Al粉、6%~9%的NaF、3.6%~9.75%的NaCl和31.5%~70.2%的BaCl2置于盐浴炉内，充分混合后，加热至810~850℃进行溶化，之后，向盐浴炉内加入质量百分比为15%~50%的稀土氯化物，搅拌均匀后，于810~850℃条件下进行加热2~3h，得到熔盐，备用；
所述的稀土氯化物为YCl3和NdCl3中的至少一种；
（3）、化学熔渗：控制步骤（2）制得的熔盐温度为850~900℃，将步骤（1）预处理后的基体经650~680℃预热后，埋入该熔盐中，进行加热2~5h，之后，控制熔盐温度升温至950~1030℃，并在该温度下进行保温3~6h；
（4）、淬、回火：将步骤（3）经过化学熔渗后的钢件取出，淬入410~430℃的恒温槽内进行保温0.5~1h；从恒温槽取出，置于785~805℃温度下进行等温球化退火1~2h，空冷至室温；再转置于840~860℃条件下进行3~4次阶梯脉冲循环淬火-回火，保温5~10min，并采用100℃的工业用水对钢件表面进行清洗；最后，置于150~160℃条件下进行回火保温处理1~2h，采用100℃的清洗液对钢件表面进行再次清洗，即得到成品高铁用表面强化稀土高碳铬钢。
在步骤（2）中，所用的盐浴炉为封闭式盐浴炉，且该盐浴炉内配置有自动搅拌装置。
在步骤（4）中，所用的清洁液为质量浓度为5%的NaNO2溶液。
在步骤（4）中，所述的淬、回火处理为双细化工艺。
在步骤（4）中，所述的淬、回火处理采用阶梯脉冲循环加热方式。
实施例1
本实施例所述的一种表面强化稀土高碳铬钢，通过熔融盐浴，在GCr15钢基体表面渗入钇、钕金属，形成含钇钕的金属碳层。其盐浴工艺为：
（1）基体预处理：将GCr15钢件放入甲醇中进行清洗，之后对清洗后的GCr15钢件进行表面抛光，得到预处理后的基体，备用；
（2）配制熔盐：熔盐成分配比为Al-BaCl2-NaCl-NaF-YCl3-NdCl3，其中，Al粉的质量分数为3%，NaF的质量分数为7%，NaCl的质量分数为6.875%、BaCl2的质量分数为48.125%，待830℃熔盐溶化后，再分别加入质量分数为15%的YCl3和质量分数为20%的NdCl3，保温3h，得到熔盐，备用；
（3）化学熔渗：将步骤（1）预处理过的GCr15钢件基体，经650℃预热后，送入含有步骤（2）的熔盐的盐浴炉中，入炉温度为850℃，保温2h；加热保温处理的盐浴温度为950℃，保温时间为3h；
（4）淬、回火：盐浴结束后，取出钢件淬入420℃恒温槽中，保温30min；随后在790℃等温球化退火，保温90min，空冷；在860℃、855℃、850℃、845℃进行4次阶梯脉冲循环淬-回火，保温6min，油淬；用100℃工业用水清洗，经150℃回火，保温120min，采用100℃的质量浓度为5%的NaNO2溶液对钢件表面进行再次清洗，即得到的成品高铁用表面强化稀土高碳铬钢。
经测定：成品高铁用表面强化稀土高碳铬钢的渗层厚度为6μm，抗拉强度达到1116MPa、室温表层硬度达到59.8HRC、冲击韧性为15 J/cm2。
实施例2
本实施例所述的一种表面强化稀土高碳铬钢，通过熔融盐浴，在GCr15钢基体表面渗入钇、钕金属，形成含钇钕的金属碳层。其盐浴工艺为：
（1）基体预处理：将GCr15钢件放入汽油中进行清洗，之后对清洗后的GCr15钢件进行表面抛光，得到预处理后的基体，备用；
（2）配制熔盐：熔盐成分配比为Al-BaCl2-NaCl-NaF-YCl3-NdCl3，其中，Al粉的质量分数为4%，NaF的质量分数为8%，NaCl的质量分数为5.34%、BaCl2的质量分数为42.66%，待830℃熔盐溶化后，再分别加入质量分数为17.5%的YCl3和质量分数为22.5%的NdCl3，保温2h，得到熔盐，备用；
（3）化学熔渗：将步骤（1）预处理过的GCr15钢件基体，经660℃预热，送入含有步骤（2）的熔盐的盐浴炉中，入炉温度为860℃，保温3h；加热保温处理的盐浴温度为960℃，保温时间为4h；
（4）淬、回火：盐浴结束后，取出钢件淬入420℃恒温槽中，保温40min；随后在795℃等温球化退火，保温100min，空冷；在860℃、855℃、850℃、845℃进行4次阶梯脉冲循环淬-回火，保温7min，油淬；用100℃工业用水清洗，经155℃回火，保温110min，采用100℃的质量浓度为5%的NaNO2溶液对钢件表面进行再次清洗，即得到的成品高铁用表面强化稀土高碳铬钢；
经测定：成品高铁用表面强化稀土高碳铬钢的渗层厚度为7μm，抗拉强度达到1190MPa、室温表层硬度达到60.3HRC、冲击韧性为18 J/cm2。
实施例3
本实施例所述的一种表面强化稀土高碳铬钢，通过熔融盐浴，在GCr15钢基体表面渗入钇、钕金属，形成含钇钕的金属碳层。其盐浴工艺为：
（1）基体预处理：将GCr15钢件放入汽油中进行清洗，之后对清洗后的GCr15钢件进行表面抛光，得到预处理后的基体，备用；
（2）配制熔盐：熔盐成分配比为Al-BaCl2-NaCl-NaF-YCl3-NdCl3，其中，Al粉的质量分数为5%，NaF的质量分数为9%，NaCl的质量分数为4.1%、BaCl2的质量分数为36.9%，待830℃熔盐溶化后，再分别加入质量分数为7.5%的YCl3和质量分数为37.5%的NdCl3，保温3h，得到熔盐，备用；
（3）化学熔渗：将步骤（1）预处理过的GCr15钢件基体，经670℃预热，送入含有步骤（2）的熔盐的盐浴炉中，入炉温度为870℃，保温4h；加热保温处理的盐浴温度为970℃，保温时间为5h；
（4）淬、回火：盐浴结束后，取出钢件淬入430℃恒温槽中，保温50min；随后在800℃等温球化退火，保温110min，空冷；在860℃、850℃、840℃进行3次阶梯脉冲循环淬-回火，保温8min，油淬；用100℃工业用水清洗，经160℃回火，保温100min，采用100℃的质量浓度为5%的NaNO2溶液对钢件表面进行再次清洗，即得到的成品高铁用表面强化稀土高碳铬钢；
经测定：成品高铁用表面强化稀土高碳铬钢的渗层厚度为9μm，抗拉强度达到1185MPa、室温表层硬度达到60.1HRC、冲击韧性为17J/cm2。
实施例4
本实施例所述的一种表面强化稀土高碳铬钢，通过熔融盐浴，在GCr15钢基体表面渗入钇、钕金属，形成含钇钕的金属碳层。其盐浴工艺为：
（1）基体预处理：将GCr15钢件放入甲醇中进行清洗，之后对清洗后的GCr15钢件进行表面抛光，得到预处理后的基体，备用；
（2）配制熔盐：熔盐成分配比为Al-BaCl2-NaCl-NaF-YCl3-NdCl3，其中，Al粉的质量分数为5%，NaF的质量分数为9%，NaCl的质量分数为3.6%、BaCl2的质量分数为32.4%，待850℃熔盐溶化后，再分别加入质量分数为20%的YCl3和质量分数为30%的NdCl3，保温2h，得到熔盐，备用；
（3）化学熔渗：将步骤（1）预处理过的GCr15钢件基体，经680℃预热，送入含有步骤（2）的熔盐的盐浴炉中，入炉温度为880℃，保温5h，加热保温处理的盐浴温度为980℃，保温时间为6h；
（4）淬、回火：盐浴结束后，取出钢件淬入430℃恒温槽中，保温60min；随后在805℃等温球化退火，保温120min，空冷；在860℃、850℃、840℃进行3次阶梯脉冲循环淬-回火，保温9min，油淬；用100℃工业用水清洗，经160℃回火，保温100min，采用100℃的质量浓度为5%的NaNO2溶液对钢件表面进行再次清洗，即得到的成品高铁用表面强化稀土高碳铬钢。
经测定：成品高铁用表面强化稀土高碳铬钢的渗层厚度为11μm，抗拉强度达到1258MPa、室温表层硬度达到62.4HRC、冲击韧性为24J/cm2。
实施例5
本实施例所述的一种表面强化稀土高碳铬钢，通过熔融盐浴，在GCr15钢基体表面渗入钇、钕金属，形成含钇钕的金属碳层。其盐浴工艺为：
（1）基体预处理：将GCr15钢件放入甲醇中进行清洗，之后对清洗后的GCr15钢件进行表面抛光，得到预处理后的基体，备用；
（2）配制熔盐：熔盐成分配比为Al-BaCl2-NaCl-NaF-YCl3，其中，Al粉的质量分数为1%，NaF的质量分数为8%，NaCl的质量分数为9.75%、BaCl2的质量分数为66.25%，待810℃熔盐溶化后，再加入质量分数为15%的YCl3，保温2.5h，得到熔盐，备用；
（3）化学熔渗：将步骤（1）预处理过的GCr15钢件基体，经670℃预热，送入含有步骤（2）的熔盐的盐浴炉中，入炉温度为900℃，保温4h，加热保温处理的盐浴温度为1000℃，保温时间为5h；
（4）淬、回火：盐浴结束后，取出钢件淬入410℃恒温槽中，保温60min；随后在785℃等温球化退火，保温60min，空冷；在860℃、850℃、840℃进行3次阶梯脉冲循环淬-回火，保温10min，油淬；用100℃工业用水清洗，经155℃回火，保温90min，采用100℃的质量浓度为5%的NaNO2溶液对钢件表面进行再次清洗，即得到的成品高铁用表面强化稀土高碳铬钢。
经测定：成品高铁用表面强化稀土高碳铬钢的渗层厚度为7μm，抗拉强度达到1102MPa、室温表层硬度达到59.8HRC、冲击韧性为14J/cm2。
实施例6
本实施例所述的一种表面强化稀土高碳铬钢，通过熔融盐浴，在GCr15钢基体表面渗入钇、钕金属，形成含钇钕的金属碳层。其盐浴工艺为：
（1）基体预处理：将GCr15钢件放入汽油中进行清洗，之后对清洗后的GCr15钢件进行表面抛光，得到预处理后的基体，备用；
（2）配制熔盐：熔盐成分配比为Al-BaCl2-NaCl-NaF-NdCl3，其中，Al粉的质量分数为4%，NaF的质量分数为6%，NaCl的质量分数为7.5%、BaCl2的质量分数为52.5%，待840℃熔盐溶化后，再加入质量分数为30%的NdCl3，保温2h，得到熔盐，备用；
（3）化学熔渗：将步骤（1）预处理过的GCr15钢件基体，经660℃预热，送入含有步骤（2）的熔盐的盐浴炉中，入炉温度为880℃，保温4h，加热保温处理的盐浴温度为1030℃，保温时间为5h；
（4）淬、回火：盐浴结束后，取出钢件淬入420℃恒温槽中，保温50min；随后在790℃等温球化退火，保温100min，空冷；在860℃、850℃、840℃进行3次阶梯脉冲循环淬-回火，保温5min，油淬；用100℃工业用水清洗，经160℃回火，保温60min，采用100℃的质量浓度为5%的NaNO2溶液对钢件表面进行再次清洗，即得到的成品高铁用表面强化稀土高碳铬钢。
经测定：成品高铁用表面强化稀土高碳铬钢的渗层厚度为9μm，抗拉强度达到1196MPa、室温表层硬度达到61.2HRC、冲击韧性为20J/cm2。
本发明各个实施例所制备的表面强化稀土高碳铬钢与未盐浴熔渗的GCr15钢的性能指标对比，见表一所示。
表一发明钢与对比钢的主要性能指标