专利名称：一种用高碳铸铁熔液为渗碳剂的渗碳方法
技术领域：
本发明涉及钢表面化学热处理技术领域，具体为一种钢表面渗碳方法。
背景技术：
渗碳是人们最为熟悉、应用最广的强化工件表面的一种化学热处理工艺，目前工 艺控制水平也很高。对于承受重载、耐磨、冲击和复杂应力的齿轮、轴、活塞销和凸 轮等零件，渗碳己经成为最主要的表面强化方式之一。
渗碳方式根据渗碳剂不同主要分为气体渗碳和固体渗碳。其中，气体渗碳是机械 构件非常普遍的表面强化方法。常规气体渗碳工艺需往密封室通入载气和富化气。借 助大量载气保持炉内的基本成分以满足炉气碳势控制的需要，而渗碳过程中的碳来自 富化气。由于载气中有02和氧化物存在，不可避免地要形成内氧化，即在渗层表面
薄层内出现非马氏体，它会对渗碳件的疲劳性能产生极不良的影响。为此，人们开发 了低压真空渗碳技术。与传统的渗碳工艺相比，低压真空渗碳技术有一系列的优点， 尤其突出的是能解决常规气体渗碳无法避免的质量缺陷-内氧化问题。有资料报道，
低压渗碳齿轮的寿命比普通气体渗碳的疲劳寿命高20%以上。但是，由于其高的设备 成本和大的能源消耗(工艺周期长)极大地限制了它的应用。与低压真空渗碳技术相 反，文献l[李爱云，刘利平.快速压力渗碳工艺.金属热处理，2003, 28(7): 46-49] 报道了快速压力渗碳工艺，增加渗碳炉内压力可加快渗碳速度，縮短渗碳周期。整个 渗碳过程由原来的7 8h縮短到4 5h。此工艺方法在生产中应用，可提高生产效率， 并具有十分显著的经济效果。然而其不足之处在于碳黑较多，对渗碳设备使用寿命有 一定的影响。可见，用气氛渗碳时，由于受渗碳温度和控制方法的限制，不可能大幅 度缩短工艺时间。气体渗碳方法的缺点和不足已被人们所认识和体会。
固体渗碳有着悠久的历史，它具有操作简单、方便等优点，尤其对某些高合金钢 进行过饱和固体渗碳，可以得到性能优越的新型少莱氏体钢。固体渗碳工业应用未形 成规模，是因为固体渗碳件的性能不很稳定及渗层碳浓度梯度大。
发明内容
本发明的目的在于直接采用液态高碳铸铁作为渗碳剂，在较宽的温度范围、短时 间内，将待渗碳试样浸入高碳铸铁熔液中，从而制备出表面具有一定深度渗碳层的工 件。待渗碳的基体材料包括低碳钢，合金渗碳钢。
一种用高碳铸铁熔液为渗碳剂的渗碳方法，其特征是以低碳钢或合金渗碳钢作为
需渗碳的基体材料，以高碳铸铁作为渗碳剂原料。高碳铸铁成分(wt。/。) 5%Ni， 2%Cr， (3.1% 3.3%)C， 0.8%Si， 1.5%B， 0.9%Mn，余量Fe。
将需渗碳的基体材料进行表面处理表面打磨—碱洗(用10MNaOH煮沸清洗10 min)—水洗—酸洗(用36%HC1清洗5 min)—水洗—干燥。
将高碳铸铁在炉内加热熔化，熔化温度在1080 °C 1200 'C之间，通入氮气或 氩气保护。
将表面处理后的基体材料以常温和预热两种方式浸入铸铁熔液中进行渗碳，浸入 吋问为10 60s。浸入时间还要根据试样的尺寸而定，以避免在试样表面形成铸铁熔 液的凝固层。最终获得表面深度在20 1000 之间的渗碳层。
本发明和现有技术相比所具有的优点在于渗碳时间短，生产效率高。不存在钢 屮元素内氧化现象。钢表面没有积碳，对设备的使用寿命影响不大。并且工艺简单， 成本低。操作简单易行，适合实际生产。
具体实施例方式
下面以20钢和20CrNi2Mo钢详述本发明。
实施例1:
(1) 将20钢试样进行表面处理表面打磨至400#水砂纸~>碱洗(用10。/。NaOH煮 沸清洗10 min)—水洗—酸洗(用36%HC1清洗5 min)—水洗—常温干燥。
(2) 将高碳铸铁在井式电阻炉内加热熔化，在1100 'C温度下保温，熔化过程通 入氮气或氩气保护。熔液中加入少量A1脱氧，随后除去熔液表面浮渣。
(3) 将(l)中表面处理后的试样浸入铸铁熔液中进行渗碳，浸入时间控制在30 60 s之间。
4(4)渗碳后的试样在静止空气中自然冷却。这样便在试样表面形成深度在20 1000Mm之间的渗碳层。
实施例2:
(1) 将20钢试样进行表面处理表面打磨至400#水砂纸—碱洗(用10%NaOH煮 沸清洗10 min)—水洗—酸洗(用36%HC1清洗5 min)—水洗—常温干燥。
(2) 将高碳铸铁在井式电阻炉内加热熔化，在1100 'C温度下保温，熔化过程通 入氮气或氩气保护。熔液中加入少量A1脱氧，随后除去熔液表面浮渣。
(3) 将(l)中表面处理后的试样预热，预热温度在200'C 700 'C之间，预热过程 中通入氮气或氩气保护，以避免试样表面氧化。然后浸入铸铁熔液中进行渗 碳，浸入时间控制在10 30s之间。
(4) 渗碳后的试样在静止空气中自然冷却。这样便在试样表面形成深度在20 1000 pm之间的渗碳层。
实施例3:
(1) 将20钢试样进行表面处理表面打磨至400#水砂纸—碱洗(用10%NaOH煮 沸清洗10 min)—水洗—酸洗(用36%HC清洗5 min)—水洗—常温干燥。
(2) 将高碳铸铁在井式电阻炉内加热熔化，在1200 'C温度下保温，熔化过程通 入氮气或氩气保护。熔液中加入少量A1脱氧，随后除去熔液表面浮渣。
(3) 将(l)中表面处理后的试样浸入铸铁熔液中进行渗碳，浸入时间控制在30 60 s之间。
(4) 渗碳后的试样在静止空气中自然冷却。这样便在试样表面形成深度在20 1000 pm之间的渗碳层。实施例4:
(1) 将20钢试样进行表面处理表面打磨至400#水砂纸—碱洗(用10%NaOH煮 沸清洗10 min)—水洗—酸洗(用36%HC1清洗5 min)—水洗—常温干燥。
(2) 将高碳铸铁渗碳剂原料在井式电阻炉内加热熔化，在1200 'C温度下保温， 熔化过程通入氮气或氩气保护。熔液中加入少量Al脱氧，随后除去熔液表面 浮渣。
(3) 将(l)中表面处理后的试样预热，预热温度在200 °C 700 。C之间，预热过程 中通入氮气或氩气保护，以避免试样表面氧化。然后浸入铸铁熔液中进行渗 碳，浸入时间控制在10 30 s之间。
(4) 渗碳后的试样在静止空气中自然冷却。这样便在试样表面形成深度在20 1000 nm之间的渗碳层。
实施例5:
(1) 将20CrNi2Mo钢试样进行表面处理表面打磨至400#水砂纸—碱洗(用 10%NaOH煮沸清洗10 min)—水洗—酸洗(用36%HC1清洗5 min)—水洗—常
温干燥。
(2) 将高碳铸铁在井式电阻炉内加热熔化，在1100 'C温度下保温，熔化过程通 入氮气或氩气保护。熔液中加入少量A1脱氧，随后除去熔液表面浮渣。
(3) 将(l)中表面处理后的试样浸入铸铁熔液中进行渗碳，浸入时间控制在30 60 s之问。
(4) 渗碳后的试样在静止空气中自然冷却。这样便在试样表面形成深度在20 1000 )am之间的渗碳层。
实施例6:
(l)将20CrNi2Mo钢试样进行表面处理表面打磨至400#水砂纸—碱洗(用 10%NaOH煮沸清洗10 min)—水洗—酸洗(用36%HC1清洗5 min)—水洗—常温干燥。
(2) 将高碳铸铁在井式电阻炉内加热熔化，在1100 'C温度下保温，熔化过程通 入氮气或氩气保护。熔液中加入少量AI脱氧，随后除去熔液表面浮渣。
(3) 将(l)中表面处理后的试样预热，预热温度在20(TC 700 。C之间，预热过程 中通入氮气或氩气保护，以避免试样表面氧化。然后浸入铸铁熔液中进行渗 碳，浸入时间控制在10 30s之间。
(4) 渗碳后的试样在静止空气中自然冷却。这样便在试样表面形成深度在20 1000 pm之间的渗碳层。
实施例7:
(1) 将20CrNi2Mo钢试样进行表面处理表面打磨至400#水砂纸—碱洗(用 10%NaOH煮沸清洗10 min)—水洗—酸洗(用36%HC1清洗5 min)—水洗—常
温干燥。
(2) 将高碳铸铁在井式电阻炉内加热熔化，在1200 'C温度下保温，熔化过程通 入氮气或氩气保护。熔液中加入少量A1脱氧，随后除去熔液表面浮渣。
(3) 将(l)中表面处理后的试样浸入铸铁熔液中进行渗碳，浸入时间控制在30 60 s之间。
(4) 渗碳后的试样在静止空气中自然冷却。这样便在试样表面形成深度在20 lOOOpm之间的渗碳层。
实施例8:
(1) 将20CrNi2Mo钢试样进行表面处理表面打磨至400#水砂纸—碱洗(用 I0%NaOH煮沸清洗10 min)—水洗—酸洗(用36%HC1清洗5 min)—水洗—常
温干燥。
(2) 将高碳铸铁渗碳剂原料在井式电阻炉内加热熔化，在1200 。C温度下保温， 熔化过程通入氮气或氩气保护。熔液中加入少量A1脱氧，随后除去熔液表面
7浮渣。
(3) 将(l)中表面处理后的试样预热，预热温度在200 °C 700 'C之间，预热过程 中通入氮气或氩气保护，以避免试样表面氧化。然后浸入铸铁熔液中进行渗 碳，浸入时间控制在10 30s之间。
(4) 渗碳后的试样在静止空气中自然冷却。这样便在试样表面形成深度在20 1000 pm之间的渗碳层。
权利要求
1.一种用高碳铸铁熔液为渗碳剂的渗碳方法，其特征在于以低碳钢和合金渗碳钢作为待渗碳的材料，以高碳铸铁作为渗碳剂原料，高碳铸铁成分wt％5％Ni，2％Cr，(3.1％～3.3％)C，0.8％Si，1.5％B，0.9％Mn，余量Fe；渗碳工艺包括三步1)待渗碳钢表面处理；2)熔化高碳铸铁；3)热浸渗碳；4)钢表面获得一定厚度的渗碳层。
2. 根据权利要求1所述一种用高碳铸铁熔液为渗碳剂的渗碳方法，其特征在于1) 中钢表面处理包括表面打磨—碱洗，用10%NaOH煮沸清洗10 min—水洗~>酸洗，用36%HC1清洗5 min—水洗—干燥。
3. 根据权利要求1所述一种用高碳铸铁熔液为渗碳剂的渗碳方法，其特征在于2) 中熔化高碳铸铁所需设备采用功率为100 KW的中频炉。
4. 根据权利要求1所述一种用高碳铸铁熔液为渗碳剂的渗碳方法，其特征在于3) 屮渗碳温度为1080 °C 1200 °C，渗碳时间为10 60s。
5. 根据权利要求1所述一种用高碳铸铁熔液为渗碳剂的渗碳方法，其特征在于4) 中获得的渗碳层深度为20 1000 |_im。
全文摘要
一种用高碳铸铁熔液为渗碳剂的渗碳方法，属于钢表面化学热处理技术领域。其特征在于以低碳钢和合金渗碳钢作为待渗碳的材料，以高碳铸铁作为渗碳剂原料，高碳铸铁成分wt％5％Ni，2％Cr，(3.1％～3.3％)C，0.8％Si，1.5％B，0.9％Mn，余量Fe；高碳铸铁熔化温度在1080℃～1200℃之间；将表面处理后的需渗碳工件以常温和预热两种方式浸入高碳铸铁熔液中进行渗碳，渗碳时间为10～60s；渗碳后在静置空气中自然冷却，试样表面可形成厚度在20～1000μm之间的渗碳层。本发明的优点在于渗碳时间短，生产效率高。不存在钢中元素内氧化现象。钢表面没有积碳，对设备的使用寿命影响不大。并且工艺简单，成本低。操作简单易行，适合实际生产。
文档编号C23C8/46GK101492805SQ20091007915
公开日2009年7月29日 申请日期2009年3月3日 优先权日2009年3月3日
发明者涛 林, 王立生, 骥 罗, 邵慧萍, 郝俊杰, 郭志猛, 高治山 申请人:北京科技大学