真空脈沖滲碳馬氏體不銹鋼的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)械制造領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用于金屬體表面滲碳方法，具體說，是一種馬氏體不銹鋼真空脈沖滲碳方法及其制品，以及該制品滲碳后的熱處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，奧氏體不銹鋼及奧氏體-鐵素體不銹鋼滲碳工藝已有很多報(bào)道，如中國專利申請?zhí)?97101054.4公開的《奧氏體金屬的滲碳方法及由此制得的奧氏體金屬制品》、申請?zhí)?89104102.8《低碳高鉻鋼高濃度滲碳方法》等。奧氏體不銹鋼因其具有良好的耐蝕性能、焊接性能和冷加工性能而廣泛應(yīng)用于石油、化工、海洋、食品和醫(yī)療機(jī)械等領(lǐng)域。然而，奧氏體不銹鋼的硬度偏低(200?250HV)，耐磨性能和抗刮擦性能較差，嚴(yán)重影響了不銹鋼機(jī)械零部件的使用壽命，限制了在生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。為了改善奧氏體，在不銹鋼制品表面滲碳，使其硬化，既保持制品的耐蝕性，又改善制品的耐磨性。奧氏體不銹鋼在滲碳過程中析出鉻的碳化物會(huì)降低其原有的耐蝕性能。奧氏體不銹鋼處理可以在傳統(tǒng)的離子氮化爐內(nèi)進(jìn)行，但奧氏體不銹鋼技術(shù)對滲碳溫度及爐內(nèi)溫度均勻性要求很高，而目前國內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)上用的離子熱處理爐的爐體結(jié)構(gòu)仍然采用上世紀(jì)7 O年代的雙層水冷式結(jié)構(gòu)，工作時(shí)冷卻水在夾層中流動(dòng)以冷卻爐體。由于熱的工件和冷的爐壁之間存在很大的溫差，使?fàn)t內(nèi)空間徑向溫度梯度很大，造成徑向工件溫度很不均勻。此外，因冷卻爐體要消耗大量的水資源，而且冷卻水會(huì)不斷地帶走大量的熱量，造成能源浪費(fèi)。目前奧氏體不銹鋼滲碳通常利用低溫離子滲碳技術(shù)對不同類型的奧氏體不銹鋼進(jìn)行了滲碳處理來提高產(chǎn)品材料的使用溫度、耐磨性能和疲勞性能。低溫離子滲碳技術(shù)可以在不降低奧氏體不銹鋼耐蝕性能的前提下對其進(jìn)行表面硬化處理，提高不銹鋼表面的硬度和耐磨性能。奧氏體不銹鋼工藝要求工件各處溫度一致。奧氏體不銹鋼低溫離子滲碳技術(shù)對溫度均勻性要求較高，設(shè)備中爐內(nèi)工件溫度均勻性不易控制，對形狀復(fù)雜、要求滲層均勻、變形小的工件.難于進(jìn)行有效處理。奧氏體不銹鋼表面滲碳硬化處理是在相對較低的溫度下進(jìn)行的(< 550°C)。因此在上述的離子熱處理設(shè)備中很難達(dá)到奧氏體不銹鋼技術(shù)的工藝要求。而現(xiàn)有市場上的熱處理設(shè)備不能夠滿足其工藝要求。不銹鋼外表層有一層由Fe3O4和&03組成的鈍化膜層，性質(zhì)穩(wěn)定，不易去除，對滲碳?xì)怏w有很強(qiáng)的抵抗作用。如果不銹鋼表面有一層鈍化膜不去除或去除不完全，容易出現(xiàn)無法滲碳不銹鋼。由于鈍化膜而不易進(jìn)行滲碳和滲碳溫度過高的或者滲層不均勻的現(xiàn)象。而有關(guān)類似于馬氏體組織的不銹鋼稱馬氏體不銹鋼。目前馬氏體不銹鋼真空滲碳工藝報(bào)道比較少。馬氏體不銹鋼典型的馬氏體不銹鋼鋼號(hào)有l(wèi)Crl34Crl3和9Crl8等。馬氏體不銹鋼正火后與淬火后的組織為馬氏體；半馬氏體型不銹鋼正火后的組織為馬氏體+鐵素體，淬火后的組織視其成分與淬火溫度而定，可以是馬氏體，也可以是馬氏體+奧氏體。它們都可以通過熱處理強(qiáng)化。馬氏體不銹鋼在淬火、回火后具有良好的強(qiáng)度、塑性、韌性及耐蝕性，低碳馬氏體不銹鋼還具有較好的焊接性。Crl3型馬氏體不銹鋼價(jià)格低廉，故而在腐蝕性較弱的介質(zhì)中(如水蒸氣)，具又要求高的力學(xué)性能的條件下得到了廣泛的應(yīng)用。馬氏體不銹鋼的淬火加熱溫度對淬火后鋼的硬度影響很大，一般來說隨加熱溫度的升高硬度增加。淬火時(shí)，淬火加熱溫度升到臨界點(diǎn)以上，使碳化物固溶到奧氏體中。在升溫使碳化物固溶時(shí)，碳擴(kuò)散速度較慢，為得到均勻的奧氏體組織，加熱溫度一般要比臨界溫度(850?900°C)高50°C以上，而且還必須有一定的保溫時(shí)間，以便使碳化物充分、均勻地溶解。但是加熱保溫時(shí)間過長、加熱溫度過高，會(huì)使馬氏體組織不均勻，殘留奧氏體組織增多。殘留奧氏體在加工和使用時(shí)，會(huì)發(fā)生馬氏體相就，從而造成工件的尺寸發(fā)生變化。碳含量越高，殘留奧氏體量越多。馬氏體不銹鋼是熱裂紋敏感性鋼種，在低溫時(shí)熱導(dǎo)率低，快速加熱易產(chǎn)生裂紋，馬氏體不銹鋼在高溫加熱時(shí)，表面易脫碳。馬氏體不銹鋼在高溫奧氏體溫度保溫和高溫淬火后，因鋼內(nèi)存在內(nèi)應(yīng)力大和脆化等問題，需要及時(shí)進(jìn)行回火。碳含量高的馬氏體不銹鋼比碳含量低的馬氏體不銹鋼對回火脆性更敏感，冷加工成形性、焊接性更差。滲碳淬火處理，要求是表面馬氏體不能超過三級，殘奧量〈20%，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為JB6141。馬氏體不銹鋼滲碳淬火后馬氏體粗大，金相表面目測可見魚鱗狀。一般的滲碳淬火條件下，不會(huì)導(dǎo)致馬氏體粗大。但在進(jìn)行深層滲碳時(shí)，由于在較高滲碳溫度下持續(xù)時(shí)間長，也會(huì)導(dǎo)致晶粒急劇長大，導(dǎo)致淬火后馬氏體組織粗大。馬氏體不銹鋼滲碳時(shí)滲碳層中碳化物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)極難控制合格，ICr I INi2W2MoVA合金元素較多，滲碳時(shí)極易形成粗大的網(wǎng)狀碳化物，與滲碳結(jié)構(gòu)鋼相比，其網(wǎng)狀碳化物要嚴(yán)重得多，而且網(wǎng)狀通過后續(xù)熱處理不易消除，要想達(dá)到合格的滲碳層組織，滲碳難度極大。
[0003]一般真空滲碳時(shí)，滲碳?xì)怏w壓力較大時(shí)，滲碳劑分解速率過快，制件表面滲層均勻性好，但易出現(xiàn)炭黑。滲碳?xì)怏w流量較大時(shí)，滲碳速度較快，但易產(chǎn)生炭黑且滲碳層易出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種不會(huì)導(dǎo)致馬氏體粗大，表面易脫碳，具有滲碳速度快、不產(chǎn)生焦油，分解效率較高、碳化物形態(tài)較好、滲層均勻，能夠提高馬氏體不銹鋼滲碳制件的耐磨性能和疲勞性能，延長使用壽命，并能顯著提高馬氏體不銹鋼表面硬度的真空脈沖滲碳馬氏體不銹鋼方法。以解決馬氏體不銹鋼滲碳鈍化膜難以去除，以及滲碳效率低的問題。
[0005]本發(fā)明的上述目的可以通過以下技術(shù)方案來達(dá)到，一種真空脈沖滲碳馬氏體不銹鋼方法，其特征在于包括如下步驟:將馬氏體不銹鋼制品置于真空爐，在乙炔氣氛中于970°C?1000°C溫度范圍內(nèi)進(jìn)行真空脈沖滲碳；用真空爐進(jìn)行脈沖滲碳時(shí)，先抽真空度到10 2Pa?12 2Pa的真空狀態(tài)下，滲碳制件保持十分鐘，使之真空活化，去除滲碳制件表層鈍化膜層；繼之將滲碳處理溫度設(shè)定為950°C?990°C，滲碳壓力為2000Pa?2200Pa，乙炔氣壓為0.05MPa?0.08MPa,氬氣氣壓為0.02MPa?0.05MPa,進(jìn)行脈沖滲碳第一階段，以滲碳階段400秒?450秒，擴(kuò)散900秒?1000秒，抽真空300秒?330秒為一個(gè)完整滲碳脈沖，其中的滲碳階段和擴(kuò)散階段，在通入滲碳?xì)怏w乙炔的同時(shí)，通入氣壓為0.02MPa?0.05MPa的氬氣進(jìn)行分壓，至少循環(huán)14個(gè)脈沖；最后進(jìn)行脈沖滲碳第二階段，以滲碳階段210秒?250秒，擴(kuò)散階段900秒?1000秒，抽真空300秒?330秒為一個(gè)完整滲碳脈沖，其中的滲碳階段和擴(kuò)散階段，在通入滲碳?xì)怏w乙炔的同時(shí)，通入氣壓為0.02MPa?0.05MPa的氬氣進(jìn)行分壓，至少循環(huán)3個(gè)脈沖，滲碳時(shí)間總計(jì)7小時(shí)?8小時(shí)，滲碳結(jié)束，出爐空冷，然后再用滲后熱處理的方法細(xì)化晶粒，減輕或消除部份網(wǎng)狀碳化物，使碳化物級別合格。
[0006]本發(fā)明具有如下有益技術(shù)效果:
本發(fā)明采用真空爐脈沖滲碳，可實(shí)現(xiàn)對爐內(nèi)滲碳?xì)夥盏木_控制，為滲層碳化物網(wǎng)狀合格的滲碳參數(shù)調(diào)控提供了極大的方便。真空滲碳加熱時(shí)，馬氏體不銹鋼表面形成的氧化膜會(huì)產(chǎn)生分解，即真空活化作用。并且真空滲碳?xì)夥罩胁缓趸詺怏w，避免了馬氏體不銹鋼滲碳表面合金元素產(chǎn)生晶間氧化，提高馬氏體不銹鋼滲碳制件的耐磨性能和疲勞性能，延長使用壽命。而且真空脈沖具有滲碳處理速度快、時(shí)間短、效率高，降低成本，克服了馬氏體不銹鋼滲碳鈍化膜難以去除，以及滲碳效率低的缺點(diǎn)。
[0007]本發(fā)明經(jīng)滲層深度的測試方法:HB5493金相織織測定法規(guī)定，低碳鋼、低碳合金鋼的滲碳層深度=過共析層+共析層+1/2過渡區(qū)的總和；高鉻鋼(lCrl3、2Crl3等)碳氮共滲層深度=過共析層+共析層+2/3過渡區(qū)的總和，該標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定lCrllNi2W2MoVA不銹鋼滲碳層深度的測定方法。通過試驗(yàn)，該材料的滲碳層深度為:從零件滲碳表面測至碳化物網(wǎng)結(jié)束時(shí)為止的滲碳層總和，即過共析層+共析層的總和，并用維氏硬度法得到了驗(yàn)證。
[0008]本發(fā)明能夠控制碳化層碳化物級別，通過調(diào)整真空脈沖滲碳工藝參數(shù)(滲碳溫度970°C、滲碳壓力2000Pa、乙炔氣壓為0.05Mpa，氬氣氣壓0.02MPa，滲碳第一階段循環(huán)脈沖14次，滲碳第二階段循環(huán)脈沖3次，滲碳時(shí)間總計(jì)7.5小時(shí))，使碳化物級別符合HB5492-91中規(guī)定的< 6級，使之滿足后序機(jī)加工工藝的要求，碳化物級別大于6級，磨削加工時(shí)容易
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[0009]本發(fā)明將乙炔作為滲碳劑比煤油、丙酮、甲苯等滲碳劑，具有滲碳速度快、不產(chǎn)生焦油，分解效率較高、碳化物形態(tài)較好、滲層均勻等優(yōu)點(diǎn)，
本發(fā)明在真空脈沖滲碳下，在乙炔氣氛中于970°C?1000°C溫度范圍內(nèi)進(jìn)行真空脈沖滲碳馬氏體不銹鋼不銹鋼可以獲得無碳化物析出的具有單一 Yc相結(jié)構(gòu)的滲碳層；XRD分析結(jié)果證實(shí)了 550°C是AISI 321和AISI 316L奧氏體不銹鋼的臨界滲碳溫度，500°C是AISI 304馬氏體不銹鋼的臨界滲碳溫度，在此溫度以上滲碳時(shí)，滲碳層有鉻的碳化合物析出；含有Mo或Ti的奧氏體不銹鋼(AISI 316L, A1-SI 321)和不含Mo或Ti的不銹鋼(AISI 304)相比，在400?500°C滲碳時(shí)可以獲得較好的滲碳層。
[0010]經(jīng)上述工藝制得的馬氏體不銹鋼真空滲碳制品，具有良好的技術(shù)性能，以ICrllNi2W2MoVA馬氏體不銹鋼制品為例，
滲碳層深度:0.7?1.0mm ;
滲碳層表面硬度:HRC ^ 55 ；
非滲碳面硬度:HRC33?47 ；
金相組織:滲碳層碳化