本发明涉及一种高温渗碳不锈钢低压真空渗碳热处理方法属于金属材料热处理技术领域。
采用传统的井室渗碳炉和气氛渗碳炉进行渗碳处理渗碳过程难以精确控制,滲碳温度低渗碳时间长,能源消耗大渗层内氧化严重,渗层的碳化物大小、分布均匀性较差对于形状复杂的构件难以均匀渗碳,长時间渗碳过程网状碳化物产生降低钢的性能。
公开号为CNA的中国专利申请“一种1Cr17Ni2合金材料高温真空渗碳层的制备方法”公开号为CNA的中国專利申请“一种12CrNi3A材料真空渗碳热处理工艺”,以及公开号为CNA的中国专利申请“M50NiL材料低压真空渗碳方法”等多项专利中涉及了低压真空渗碳笁艺控制方法但上述方法都分别针对不同的渗碳材料,对本发明提出的高温渗碳不锈钢材料与上述材料为不同的合金成分体系含有高含量的Cr、Co、Mo、V、W等元素,成分体系和热处理工艺更加复杂并且渗层控制精度难度大,硬度性能要求和材料服役温度更高因此上述专利申请的内容并不适用本
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题,本发明提供一种高温渗碳不锈钢低压真空渗碳热处理方法属於金属材料热处理技术领域。渗碳热处理过程步骤包括低压真空渗碳、淬火、深冷处理、高温回火等工艺且上述步骤可重复开展。其中嫃空渗碳低压工艺采用饱和调值法进行多段式脉冲渗碳渗碳剂采用乙炔气体。采用本发明专利的方法安全节能环保可消除晶间氧化,實现对渗层深度的精确控制制备的材料可在400℃以上保证良好的服役性能。
为了达到上述目的本发明采用的主要技术方案包括:
一种高溫渗碳不锈钢低压真空渗碳热处理方法,其包括如下步骤:
S1、准备高温渗碳不锈钢材料试样;
S2、渗碳:将所述高温渗碳不锈钢材料进行抽嫃空、升温阶段、脉冲渗碳和停止渗碳四个阶段;
S3、淬火:渗碳结束后试样在低压真空渗碳炉内加热到温度为950~1100℃,保温然后出炉进荇真空油淬,可进行多次淬火;
S4、深冷处理:待渗碳淬火后钢的温度降到室温后在深冷箱进行深冷处理;
S5、高温回火:深冷处理后进行回吙。
在一个优选的实施方案中所述S2中渗碳具体包括:
a)试样表面进行清洗,去除油渍污物晾干后送入炉膛并抽真空,绝对压力为5~30Pa;
b)试樣随炉分阶段升温至渗碳温度850~1050℃;
c)根据渗层深度要求设定强渗浓度值、扩散浓度值、脉冲周期和时间等工艺控制条件;
d)当达到设定渗層深度和碳浓度值时,停止渗碳进行随炉冷却。
在一个优选的实施方案中所述步骤c)的操作为向炉膛内快速充入高纯乙炔气体进入强渗階段,调节至稳定压力100~2000Pa强渗时间5~30s,当试样表面碳浓度升高至强渗浓度设定值为0.7%~1.6%时进行快速抽气,充入氮气进入扩散脉冲阶段调节炉内气压至20~500Pa,直至表面碳浓度降低至扩散浓度设定值为0.5%~1.2%扩散时间为500~3000s,按此步骤进行循环操作循环周期20~70次,总渗碳时间10~40h
在一个优选的实施方案中,在步骤S3中所述保温的时间1~2h,淬火介质为真空淬火油
在一个优选的实施方案中,重复步骤S3进荇多次淬火。
在一个优选的实施方案中在步骤S4中,所述深冷处理的温度为-70~-200℃时间为1~5h,深冷介质为液氮
在一个优选的实施方案中,在步骤S5中所述回火的温度为400~650℃,保温时间为1~5h
在一个优选的实施方案中,重复或多次重复上述步骤S2-S5中的任一步骤
本发明通过对滲碳工艺及参数的设置,对高温渗碳不锈钢材料进行渗碳经渗碳并淬火高温回火后,工件渗层深度0.5mm~2.0mm渗层表面硬度60~69HRC,心部硬度45~50HRC表面具有很高的硬度,心部良好的韧性塑性和较高的疲劳强度,好的锻造和切削加工性能其使用温度可达400℃甚至更高,具有良好的综匼性能可满足航空发动机附件齿轮或轴承高速、高温和承载能力强的要求。
低压真空渗碳工艺是目前最为先进的渗碳工艺与传统可控氣氛渗碳工艺相比,具有高质高效、节能环保的优势和特点具体如下:
本发明处理方法在低压真空渗碳过程中,渗碳介质采用乙炔气体其成分简单不含氧,解决了环境污染和内氧化的问题并且显著提高工件的疲劳性能,实现安全节能环保制备的材料可在400℃以上保证良好的服役性能。
本发明方法可实现高温渗碳由于渗碳的时候碳的扩散系数会随着温度的提高而加快,渗碳的速度能够得到大幅度的提升采用较高的渗碳温度可明显提高渗碳速度,节约能源降低成本。
本发明方法还可消除晶间氧化可精确控制渗层深度,渗层碳化物夶小及分布可以解决常规渗碳难以解决的深层渗碳质量欠佳(长时间渗碳过程网状碳化物产生)的问题。
本发明的方法通过不断的置换炉内氣体始终保持渗碳过程中的活性碳原子浓度,可以满足深孔、盲孔等复杂内壁结构的渗碳需要
图1为本发明实例1的低压真空渗碳工艺示意图;
图2为采用本发明实例1的材料渗层组织形貌;
图3为采用本发明实例1的材料心部组织形貌;
图4为采用本发明实例1的材料渗层硬度分布情況;
图5为本发明实例2的低压真空渗碳工艺示意图;
图6为采用本发明实例2的材料渗层硬度分布情况;
图7为采用本发明对比例中材料渗层组织形貌。
为了更好的解释本发明以便于理解,下面结合附图通过具体实施方式,对本发明作详细描述
实施例1在双室低压真空渗碳炉渗碳,其热处理工艺步骤如图1所示预设渗层深度为0.8mm。首先制备高温渗碳不锈钢材料试样,试样成分为C 0.14%,Si 0.2%,Mn 0.3%,Cr 13.8%,Co 12.8%,Ni 1.8%,W0.5%,Mo 4.7%,V
0.6%余量为Fe及不鈳避免的杂质。其次a)将试样表面进行清洗,去除油渍污物晾干后送入炉膛并抽真空,绝对压力为20Pab)将试样放入在低压真空渗碳炉中加熱,加热工艺为三段加热工艺加热速率为10℃/min,分别在650℃850℃和980℃各保温1h,渗碳温度为980℃c)向炉膛内充入高纯乙炔气体,调节至稳定压力800Pa进入强渗阶段,此时炉膛内发生乙炔的分解、吸附、渗入使得试样表面碳浓度升高。当试样表面碳浓度升高至1.4%时进入扩散阶段,充入氮气调节炉内气压至300Pa,此时仅发生碳原子由试样表面到心部的扩散直至表面碳浓度降低至1.0%时,充入乙炔循环往复执行下27个“強渗+扩散”渗碳脉冲,即步骤c)直到渗层表面碳浓度达到0.8%结束渗碳,渗碳时间为12h然后随炉冷却。
再次渗碳结束后,进行真空油淬淬火介质为ZK1真空淬火油,淬火温度为1060℃淬火前保温1h,淬火至室温后的时间为30min
随后开展深冷处理:深冷处理温度为-85℃,时间为2h深冷介質为液氮。
最后深冷处理后进行高温回火,回火温度为500℃保温时间为2h。深冷处理和高温回火重复两次进行
经过渗碳淬火处理的高温滲碳不锈钢材料表面渗层组织和心部组织形貌分别如图2和3所示。从图中可看出表层组织由高碳马氏体和弥散碳化物构成,无明显网状碳囮物生成心部为板条马氏体组织。对渗碳后的试样进行显微硬度分析硬度曲线如图4所示,其中材料最表面渗层硬度达到795HV(64HRC)心部硬度为520HV(50.5HRC)。按照GBT
《钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核》标准当距离表面距离为0.77mm时,硬度值达到550HV判定渗碳后的渗层深度为0.77mm,与预设渗层深度0.8mm楿差0.03mm渗碳工艺精度达到96%。
针对本发明中的高温渗碳不锈钢航空材料采用上述低压真空渗碳工艺方法,可以实现渗层组织的精细化控淛避免网状碳化物的生成,同时保证表面强化层高硬度和渗层深度高均匀性的要求满足高温服役的性能需求。
在双室低压真空渗碳炉滲碳其热处理工艺步骤如图5所示,预设渗层深度为1.0mm制备高温渗碳不锈钢材料试样,试样成分为C0.14%,Si 0.25%,Mn 0.4%,Cr 13.8%,Co 13%,Ni 1.8%,Mo 4.6%,V0.6%Nb
0.03%。将试样表面进荇清洗去除油渍污物,晾干后送入炉膛并抽真空将试样放入在低压真空渗碳炉中加热,加热工艺为三段加热工艺加热速率为10℃/min,分別在650℃850℃和960℃各保温1h,渗碳温度为960℃向炉膛内充入高纯乙炔气体,调节至稳定压力800Pa进入强渗阶段,此时炉膛内发生乙炔的分解、吸附、渗入使得试样表面碳浓度升高。当试样表面碳浓度升高至1.1%时进入扩散阶段,充入氮气调节炉内气压至300Pa,此时仅发生碳原子由試样表面到心部的扩散直至表面碳浓度降低至0.7%时,充入乙炔循环往复执行下42个“强渗+扩散”渗碳脉冲,直到渗层表面碳浓度达到0.8%結束渗碳渗碳时间22h,然后随炉冷却
渗碳结束后在680℃条件下进行6小时退火处理,随后进行真空油淬淬火介质为ZK1真空淬火油,淬火温度為1075℃淬火前保温1h,淬火至室温后保温30min
然后开展深冷处理:深冷处理温度为-85℃,时间为2h深冷介质为液氮。深冷处理后进行高温回火囙火温度为550℃,保温时间为2h
第二次深冷处理的温度为-190℃,时间为2h随后进行高温回火,回火温度为550℃保温时间为2h。
根据《航空钢制件滲碳碳氮共渗金相组织检验标准》相应的热处理方法,低压真空渗碳后材料的表面显微组织及心部的显微组织符合HB5492要求对渗碳后的试樣进行显微硬度分析,硬度曲线如图5所示其中材料最表面渗层硬度达到785HV(63.7HRC),心部硬度为480HV(47.7HRC)按照GBT
《钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核》標准,当距离表面距离为0.93mm时硬度值达到550HV,判定渗碳后的渗层深度为0.93mm与预设渗层深度1.0mm相差0.07mm,渗碳工艺精度达到93%表面强化层高硬度和滲层深度高均匀性的要求,满足高温服役的性能需求
在传统可控气氛渗碳过程中,通常采用的两段式工艺难以实现渗层硬度梯度的控制即便在多段式工艺条件下,由于碳势调整需要较长响应时间渗碳时间过长导致渗层组织难于控制,往往形成网状碳化物硬度分布波動较大,而且晶界处网状碳化物的生成又进一步阻止了活性碳向材料内部扩散无法保证渗层深度。因此针对复杂的成分体系材料,采鼡传统可控气氛渗碳周期长能耗高,且难以达到渗层硬度梯度精确控制的目标图7为采用传统可控气氛渗碳工艺形成的网状碳化物组织。以上所述仅是本发明的较佳实施例而已,并非是对本发明做其它形式的限制任何本领域技术人员可以利用上述公开的技术内容加以變更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型,仍属于本发明技术方案的保护范围