专利名称：采用碳分配提高钢件表面硬度的方法
技术领域：
本发明涉及的是一种热处理技术领域的方法，具体是一种采用碳分配提高钢件表面硬度的方法。
背景技术：
钢的化学热处理是表面合金化与热处理相结合的一种工艺，它通过改变钢铁零件表面层的成分和组织，达到提高其使用性能的目的。渗碳是其中一种最常用的也是十分重要的表面化学热处理工艺。齿轮、轴承等表面需要具有一定的硬度、耐磨性、接触和磨损疲劳性能，而渗碳所产生的渗碳层的显微组织为隐晶或细晶马氏体和一定数量的颗粒状碳化物及适量的残余奥氏体，从而渗层表面具有高的硬度和抗磨损能力。渗碳处理的工艺过程比较复杂，需要合理选择各种工艺参数，例如渗碳温度。高的温度可以加速碳的扩散，并提高碳在奥氏体中的溶解度，从而缩短渗碳时间，但是过高的温度会使钢件的渗碳层晶粒粗大，设备寿命降低以及增大零件变形。一般渗碳处理都需要几个小时至几十个小时，生产效率不高。另外，渗碳完毕后，工件一般还需热处理，如淬火和回火。
经对现有技术的文献检索发现，J.Speer等在Acta Materialia 51(材料学报)(2003)P2611-2622上发表的“Carbon partitioning into austenite after martensitetransformation”(奥氏体向马氏体转变后碳在马氏体和奥氏体之间的分配)一文阐述了碳在马氏体和残余奥氏体之间分配的原理，通过碳的分配可以实现奥氏体富碳，但是没有具体的提及工艺的内容。
发明内容
本发明在现有技术的基础上，提供了一种采用碳分配提高钢件表面硬度的方法，相对于化学渗碳而言无需复杂的设备，具有工艺过程简单，周期短，能耗低的特点。
本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤
1)将工件(齿轮、轴承套等)部分表面(侧面)涂附一层耐高温且不导热的涂层，例如氧化铝或者氧化锆陶瓷涂层，然后加热使之全部奥氏体化；2)将工件淬入Sn-Bi、Pb-Sn或者Pb-Bi等液体淬火介质中，没有涂层保护的区域将发生马氏体转变；3)将工件上淬至200-400℃的介质中，并在此温度下保温10-1000s，碳由内部马氏体扩散至被涂层保护的表面奥氏体区域，使表层奥氏体富碳；4)将工件淬至水中，则获得表面马氏体和残余奥氏体的硬化层，其厚度约0.5-1mm。
本发明中，添加抑制碳化物析出的元素，如硅，铝，磷等合金元素(添加量硅为0.5％-10.0％，铝为0.2％-5.0％，质量分数)，让大量的碳能够在等温处理中由马氏体中快速扩散至表层的奥氏体中。
本发明中，根据工件的成分选择淬火介质温度，根据Ms和Mf温度及公式Vm＝1-exp[a(Ms-T)]可以得到获得马氏体时的淬火温度。式中，Vm是马氏体转变量，Ms是马氏体开始转变温度，可以从手册上查到，a是与材料有关的系数，对于不同钢种可以通过热膨胀仪测定。液体淬火介质的温度T对应于Vm＝80％～90％的温度。
本发明在淬火后立即上淬至200-400℃的介质中，并在此温度下保温10-1000s，碳由马氏体扩散至被涂层保护的奥氏体表面区域，使表层奥氏体富碳，随后淬至水中获得高含碳量的马氏体和残余富碳奥氏体，以期得到高硬度和耐磨性。
本发明根据工件本身的含碳量和通过改变侧面涂层的厚度来获得具有不同碳含量和富碳层厚度的表面。涂层厚度的选择以在工件淬火时能够使工件被涂附的区域保持奥氏体状态为准，即根据工件的成分、大小和淬火介质和涂层的性质来选择涂层的厚度，一般取0.5-2.5mm。工件的尺寸越小，淬透性越大，淬火介质的冷却性越强，涂层取得越厚。
本发明适用于含硅，铝等元素的低合金钢，因为这些元素能够抑止渗碳体的析出，有利于碳元素由马氏体向奥氏体中分配。钢中不能含有大量强碳化物形成元素，但极少量的(质量分数＜0.2％)的强碳化物形成元素还是可以的。同时工件的淬透性要好或者尺寸较小，否则淬火后不能获得足够量的马氏体。
本发明根据碳分配的原理，提出了低合金钢内部碳分配使部分表面(侧面)增碳的方法，避免了传统渗碳工艺复杂，周期长的缺点。特别适用于低合金钢的表面处理。
具体实施例方式
结合本发明内容提供以下实施例实施例1用含0.5％铝，1.5％硅的中碳合金钢取代传统的45#钢制造齿轮(齿轮直径6mm)，先在齿轮外测涂上氧化铝涂层。涂层厚度的选择以在工件淬火时能够使工件被涂附的区域保持奥氏体状态为准，取1.5mm。将工件加热到820℃保温5min，然后淬至220℃-350℃的锡-铋淬火剂中，齿轮中间部分完成马氏体转变后立即上淬至200℃-380℃并在此温度下保温30s～1200s，此时碳由马氏体分配至表层的奥氏体中，最后水淬至室温。
实施例2用含铝0.5％，硅1.8％的低碳钢取代常用的20Cr钢制造齿轮(齿轮直径20mm)，先在齿轮外测涂上一层氧化锆陶瓷涂层，涂层厚度的选择以在工件淬火时能够使工件被涂附的区域保持奥氏体状态为准，取2.0mm。将工件加热到900℃保温5min，然后淬至220℃-350℃的铅-锡淬火剂中，齿轮中间部分完成马氏体转变后立即上淬至350℃-420℃并在此温度下保温20s～1600s，此时碳由马氏体分配至表层的奥氏体中，最后水淬至室温。
实施例3用含0.2％铝，1.6％硅的中碳钢取代45#钢制造轴承套，在其内测面和外侧面涂上一层氧化铝涂层。涂层厚度的选择以在工件淬火时能够使工件被涂附的区域保持奥氏体状态为准，取1.5mm。将工件加热到820℃保温后，淬至220℃-350℃的铅-锡淬火剂中，齿轮中间部分完成马氏体转变后立即上淬至350℃-380℃℃保温20s～1500s，此时碳由马氏体分配至表层的奥氏体中，最后水淬至室温。
实施例4用含3.0％铝，0.6％硅低碳钢取代20Cr钢制造圆柱型轴承套，先在轴承套外测涂上一层氧化锆陶瓷涂层，涂层厚度的选择以在工件淬火时能够使工件被涂附的区域保持奥氏体状态为准，取2.5mm。将工件加热到900℃保温5min，然后淬至220℃-350℃的锡-铋淬火剂中，完成马氏体转变后立即上淬至350℃-420℃保温20s～1600s，此时碳由马氏体配分至表层的奥氏体中，最后水淬至室温。
权利要求
1.一种采用碳分配提高钢件表面硬度的方法，其特征在于，包括以下步骤1)将工件侧面涂附一层耐高温且不导热的涂层，然后加热使之全部奥氏体化；2)将工件淬入液体淬火介质中，没有涂层保护的区域将发生马氏体转变；3)将工件上淬至200-400℃的介质中，并在此温度下保温10-1000s，碳由内部马氏体扩散至被涂层保护的表面奥氏体区域，使表层奥氏体富碳；4)将工件淬至水中，则获得表面马氏体和残余奥氏体的硬化层。
2.根据权利要求1所述的采用碳分配提高钢件表面硬度的方法，其特征是，所述的耐高温且不导热的涂层，为氧化铝或者氧化锆陶瓷涂层，涂层厚度为0.5-2.5mm。
3.根据权利要求1所述的采用碳分配提高钢件表面硬度的方法，其特征是，所述的液体淬火介质，是Sn-Bi、Pb-Sn或者Pb-Bi液体。
4.根据权利要求1或者3所述的采用碳分配提高钢件表面硬度的方法，其特征是，所述的液体淬火介质，其温度根据工件的成分选择，具体为根据Ms和Mf温度及马氏体转变量与温度T的关系式Vm＝1-exp[a(Ms-T)]得到获得马氏体时的淬火温度，式中，Vm是马氏体转变量，Ms、Mf分别是马氏体转变开始温度和终结温度，T在Ms和Mf之间；a是与材料有关的系数，可通过热膨胀仪测定，液体淬火介质的温度T对应于Vm＝80％～90％的温度。
5.根据权利要求1所述的采用碳分配提高钢件表面硬度的方法，其特征是，所述的马氏体和残余奥氏体的硬化层，其厚度为0.5-1mm。
全文摘要
一种采用碳分配提高钢件表面硬度的方法，属于热处理工艺技术领域。本发明先将工件侧面涂覆一层耐高温且不导热的涂层，然后将工件奥氏体化后，立即投入淬火介质中，未涂附耐热涂层的内部瞬间转变为马氏体，而涂附了耐热涂层的侧面大部分仍然为奥氏体，随后立即将工件上淬至200－ 400℃，并保温10－2000s，在此过程中碳由马氏体快速扩散至侧面奥氏体，使其表面富碳，最后淬至水中。这种碳由马氏体快速扩散至奥氏体，使奥氏体富碳的分配原理，可使工件侧面富碳而硬化。比一般的高温渗碳处理工艺，具有生产工艺简单，周期短，能耗低的特点。
文档编号C21D1/56GK1904086SQ200610029690
公开日2007年1月31日 申请日期2006年8月3日 优先权日2006年8月3日
发明者徐祖耀, 钟宁, 戎咏华 申请人:上海交通大学