马氏体不锈钢渗碳方法及其制品转让专利
申请号 : CN200710050131.0
文献号 : CN101139692B
文献日 : 2010-07-21
发明人 : 郑雄 , 樊佰联 , 彭涛 , 邓忠
申请人 : 四川航空液压机械厂
摘要 :
本发明公开一种铬含量10～19重量％的马氏体不锈钢渗碳方法及其制品，以及该制品渗碳后的热处理方法。在甲苯气氛中于950～1000℃温度范围内渗碳，渗碳前预处理，去除油污及钝化膜；渗碳后的热处理步骤：①正火；②高温回火；③淬火，温度950～1000℃真空淬火；④冷处理；⑤低温回火。然后在下述钝化液中钝化5分钟：钝化液配方：20～25％(体积比)硝酸，3～4％(重量比)重铬酸钠。制品技术指标：渗碳层深度：0.7～1.0mm；渗碳层表面硬度：HRC≥55；非渗碳面硬度：HRC33～45；金相组织：渗碳层碳化物级别、残余奥氏体、中心组织按HB5492-91检查合格；高温回火硬度：HRC≤30。
权利要求 :
1.一种具有渗碳层的马氏体不锈钢制品的加工方法，该制品用铬含量10～19重量％的马氏体不锈钢制成，加工步骤包括：(1).将马氏体不锈钢下料粗加工，留精加工余量，制得制品半成品；
(2).除去半成品的钝化膜；
(3).渗碳；
(4).渗后热处理；
(5).精加工，使制品尺寸符合设计要求；
(6).钝化处理；
其特征在于：所述渗碳步骤是，将半成品置于计算机可控气氛井式渗炉内，在甲苯气氛中，于960～980℃温度范围内，渗碳12～14小时，使渗层深度在0.7～1.0mm范围内，分为三个阶段渗碳，第一阶段为强渗阶段，炉内碳势1.1％，时间7小时；第二阶段为弱渗阶段，炉内碳势1.0％，时间4小时；第三阶段为扩散阶段，炉内碳势0.82％，时间1～3小时。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述除去半成品钝化膜的步骤是，先对半成品表面进行喷砂处理，继用酸液洗涤。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述酸液是磷酸。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述渗后热处理的步骤是①.正火，温度950～1050℃真空正火，保温时间按25～30分钟+2～3分钟/每mm条件厚度，氩气冷却，马氏体不锈钢制品在加热过程中真空度保持在25Pa以上；
②.高温回火，温度为670～690℃，时间为3～4小时，并随炉降温到500℃出炉，空冷；
③.淬火，温度950～1000℃真空淬火，油冷；
④.冷处理，温度-50～-70℃，时间2小时，空冷60～90分钟；
⑤.低温回火，温度170～250℃，时间3小时，空冷。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述钝化处理是在钝化液中钝化5分钟；所述钝化液的配方为：20～25体积％硝酸，3～4重量％重铬酸钠，余量是水。
说明书 :
技术领域
本发明涉及金属体表面渗碳方法，具体说，是一种马氏体不锈钢渗碳方法及其制品，以及该制品渗碳后的热处理方法。
背景技术
在不锈钢制品表面渗碳，使其硬化，既保持制品的耐蚀性，又改善制品的耐磨性，在机械制造领域被广泛应用。
目前，澳氏体不锈钢及澳氏体-铁素体不锈钢渗碳工艺已有很多报道，如中国专利公开的《奥氏体金属的渗碳方法及由此制得的奥氏体金属制品》(申请号：97101054.4)、《低碳高铬钢高浓度渗碳方法》(申请号：89104102.8)等，而马氏体不锈钢渗碳工艺尚无先例。但在一些特殊场合，例如飞机的平板阀组件，该组件中有好几个零件，都需要用马氏体不锈钢材料制造，再经渗碳处理，才能满足使用要求，否则，飞机的安全性难于保证。
目前，澳氏体不锈钢及澳氏体-铁素体不锈钢渗碳工艺已有很多报道，如中国专利公开的《奥氏体金属的渗碳方法及由此制得的奥氏体金属制品》(申请号：97101054.4)、《低碳高铬钢高浓度渗碳方法》(申请号：89104102.8)等，而马氏体不锈钢渗碳工艺尚无先例。但在一些特殊场合，例如飞机的平板阀组件，该组件中有好几个零件，都需要用马氏体不锈钢材料制造，再经渗碳处理，才能满足使用要求，否则，飞机的安全性难于保证。
发明内容
本发明提供一种马氏体不锈钢渗碳方法及其制品，以及该制品渗碳后的热处理方法，可满足上述要求。
本发明的技术方案是：
一种马氏体不锈钢渗碳方法，所述马氏体不锈钢是铬含量10～19重量％，同时还含有Ni、W、Mo、V的马氏体不锈钢；在甲苯气氛中于950～1000℃温度范围内渗碳，包括步骤：
(一).渗碳前预处理，去除油污及钝化膜；
(二).渗碳。
所述渗碳前预处理进一步包括步骤：
(1).表面喷砂；
(2).酸液洗涤去除钝化膜，零件放入10％体积比和磷酸浸泡15分钟后用自来水清洗。
一种马氏体不锈钢制品，该制品用铬含量10～19重量％的马氏体不锈钢制成，具有由上述方法制得的硬化表层。
该马氏体不锈钢制品渗碳后的热处理方法，包括步骤：
①.正火，温度950～1050℃真空正火，保温时间按25～30分钟+2～3分钟/每mm条件厚度，氩气冷却，零件在加热过程中真空度保持在25Pa以上；
②.高温回火，温度为670～690℃，时间为3～4小时，并随炉降温到500℃出炉空冷；
③.淬火，温度950～1000℃真空淬火，油冷；
④.冷处理，温度-50～-70℃，时间2小时，空冷60～90分钟；
⑤.低温回火，温度170～250℃，时间3小时，空冷。
该热处理后马氏体不锈钢制品，在下述钝化液中钝化5分钟：
钝化液配方：20～25体积％硝酸，3～4重量％重铬酸钠，余量是水。
本发明的有益技术效果：
经上述工艺制得的马氏体不锈钢制品，具有良好的技术性能，以1Crl1Ni2W2MoVA马氏体不锈钢制品为例，其渗碳层深度：0.7～1.0mm；渗碳层表面硬度：HRC≥55；非渗碳面硬度：HRC33～45；金相组织：渗碳层碳化物级别、残余奥氏体、中心组织按HB5492-91检查合格；高温回火硬度：HRC≤30。
上述技术指标的平板阀组件零件，完全满足使用要求，有效地提高了飞机的安全性。
本发明的技术方案是：
一种马氏体不锈钢渗碳方法，所述马氏体不锈钢是铬含量10～19重量％，同时还含有Ni、W、Mo、V的马氏体不锈钢；在甲苯气氛中于950～1000℃温度范围内渗碳，包括步骤：
(一).渗碳前预处理，去除油污及钝化膜；
(二).渗碳。
所述渗碳前预处理进一步包括步骤：
(1).表面喷砂；
(2).酸液洗涤去除钝化膜，零件放入10％体积比和磷酸浸泡15分钟后用自来水清洗。
一种马氏体不锈钢制品，该制品用铬含量10～19重量％的马氏体不锈钢制成，具有由上述方法制得的硬化表层。
该马氏体不锈钢制品渗碳后的热处理方法，包括步骤：
①.正火，温度950～1050℃真空正火，保温时间按25～30分钟+2～3分钟/每mm条件厚度，氩气冷却，零件在加热过程中真空度保持在25Pa以上；
②.高温回火，温度为670～690℃，时间为3～4小时，并随炉降温到500℃出炉空冷；
③.淬火，温度950～1000℃真空淬火，油冷；
④.冷处理，温度-50～-70℃，时间2小时，空冷60～90分钟；
⑤.低温回火，温度170～250℃，时间3小时，空冷。
该热处理后马氏体不锈钢制品，在下述钝化液中钝化5分钟：
钝化液配方：20～25体积％硝酸，3～4重量％重铬酸钠，余量是水。
本发明的有益技术效果：
经上述工艺制得的马氏体不锈钢制品，具有良好的技术性能，以1Crl1Ni2W2MoVA马氏体不锈钢制品为例，其渗碳层深度：0.7～1.0mm；渗碳层表面硬度：HRC≥55；非渗碳面硬度：HRC33～45；金相组织：渗碳层碳化物级别、残余奥氏体、中心组织按HB5492-91检查合格；高温回火硬度：HRC≤30。
上述技术指标的平板阀组件零件，完全满足使用要求，有效地提高了飞机的安全性。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图
具体实施方式
现以1Cr11Ni2W2MoVA马氏体不锈钢材料渗碳热处理为例，详细说明本发明。
将马氏体不锈钢材料粗加工成零件半成品，留精加工余量。然后按照图1所示的步骤进行处理：
一、表面预处理
将零件半成品表面喷砂，可以除油还可以破坏零件表面钝化膜；必要时，再用10％体积比的磷酸洗涤零件，进一步腐蚀残余钝化膜，将其彻底去除，其化学反应如下：
8H3PO4+3Fe3O4→6Fe(PO4)+Fe3(PO4)2+12H2O
H3PO4+Fe→Fe3(PO4)2+H2↑
3H2+Cr2O3→2Cr+3H2O
去除表面钝化膜务必彻底，否则将严重影响后序的渗碳，钝化膜会阻止碳原子的渗入，使渗碳极其困难，导致渗碳层各处的深度不一致。喷砂后再酸洗，可彻底去除零件表面钝化膜。
二、用甲苯作渗碳剂，在960～980℃下进行渗碳
甲苯作为高温渗碳剂比煤油、丙酮等渗碳剂，具有渗碳速度快、操作简便、碳化物形态较好、渗层均匀等特点，适合于井式气体渗碳炉高温渗碳。渗碳反应如下：
C7H8→7〔C〕+4H2↑
渗碳温度960～980℃，时间一般控制在12～14小时，根据随炉参考试样决定渗碳时间，炉内碳势在开始强渗时间7小时按1.1％控制，第二段渗碳4小时按1.0％，最后扩散时间按0.82控制。
不锈钢渗碳时渗层中碳化物网状结构极难控制合格，用计算机可控气氛井式渗碳炉，可实现对炉内碳势的准确调控，为渗层碳化物网状合格的渗碳参数调控提供了极大的方便。1Cr11Ni2W2MoVA合金元素较多，渗碳时极易形成粗大的网状碳化物，与渗碳结构钢相比，其网状碳化物要严重得多，而且网状通过后续热处理不易消除，要想达到合格的渗碳层组织，渗碳难度极大。用井式炉进行气体渗碳时，通过上述调整渗碳工艺参数，尽量减小碳化物网，然后再用渗后热处理的办法细化晶粒，减轻或消除部份网状，使碳化物合格。
碳化层深度应控制在0.7～1.0mm，使之满足后序金加工工艺的要求，碳化层太深，车削加工时容易断裂崩块。
渗层深度的测试方法：HB5493金相织织测定法规定，低碳钢、低碳合金钢的渗碳层深度＝过共析层+共析层+1/2过渡区的总和；高铬钢(1Cr13、2Cr13等)碳氮共渗层深度＝过共析层+共析层+2/3过渡区的总和，该标准未规定1Cr11Ni2W2MoVA不锈钢渗碳层深度的测定方法。通过试验，基本上摸索出了该材料的渗碳层深度应为：从零件渗碳表面测至碳化物网结束时为止的渗碳层总和，即过共析层+共析层的总和，并用维氏硬度法得到了验证。
控制碳化层碳化物浓度，通过上述调整渗碳工艺参数，使碳化物级别符合HB5492-91中规定的≤6级，使之满足后序金加工工艺的要求，碳化物级别大于6级，磨削加工时容易磨裂。
三、渗碳后热处理，包括步骤：
①.正火，温度980±10℃真空正火，保温时间按25～30分钟+2～3分钟/每mm条件厚度[例如，某种材料的零件，基础保温时间应为25分钟，附加保温时间2分钟，厚度为10mm，则保温时间为25+(2×10)＝45分钟]，氩气冷却，零件在加热过程中真空度保持在25Pa以上。
②.高温回火，温度为670～690℃，时间为3.5小时左右，并随炉降温到500℃出炉，空冷。
③.淬火，温度960±10℃真空淬火，油冷。
④.冷处理，温度-60±10℃，时间2小时，空冷60～90分钟。
⑤.低温回火，温度180±10℃，时间3小时，空冷。
四、零件精加工
将零件金加工(车削、磨削等)至设计要求的形状、尺寸。
五、表面钝化处理
将零件置于钝化溶液中钝化，使渗碳层次表面硬度保持稳定，硬度稳定在HRC57以上。硬度低于HRC55不合格，渗碳面容易被划伤。目视渗碳表面颜色发暗，硬度检测必然低于HRC55。其原因是，渗碳表面在钝化时发生腐蚀，析出碳黑，从而降低了渗碳面表层的硬度。因此，钝化处理的关键是钝化液配方和钝化时间。钝化方法，在下述钝化液中钝化5分钟。钝化液配方：20～25体积％硝酸，3～4重量％重铬酸钠，余量是水。
经上述处理后，零件的技术指标如下：
渗碳层表面硬度：HRC≥55；非渗碳面硬度：HRC33～45；HRC34～46；金相组织：渗碳层碳化物级别、残余奥氏体、中心组织按HB5492-91检查合格；高温回火硬度：HRC≤30。
需要说明，以上只是本发明的一个应用实例，按照本发明技术方案的教导，调整相应的工艺参数，也可加工其它牌号的马氏体不锈钢渗碳制品。
将马氏体不锈钢材料粗加工成零件半成品，留精加工余量。然后按照图1所示的步骤进行处理：
一、表面预处理
将零件半成品表面喷砂，可以除油还可以破坏零件表面钝化膜；必要时，再用10％体积比的磷酸洗涤零件，进一步腐蚀残余钝化膜，将其彻底去除，其化学反应如下：
8H3PO4+3Fe3O4→6Fe(PO4)+Fe3(PO4)2+12H2O
H3PO4+Fe→Fe3(PO4)2+H2↑
3H2+Cr2O3→2Cr+3H2O
去除表面钝化膜务必彻底，否则将严重影响后序的渗碳，钝化膜会阻止碳原子的渗入，使渗碳极其困难，导致渗碳层各处的深度不一致。喷砂后再酸洗，可彻底去除零件表面钝化膜。
二、用甲苯作渗碳剂，在960～980℃下进行渗碳
甲苯作为高温渗碳剂比煤油、丙酮等渗碳剂，具有渗碳速度快、操作简便、碳化物形态较好、渗层均匀等特点，适合于井式气体渗碳炉高温渗碳。渗碳反应如下：
C7H8→7〔C〕+4H2↑
渗碳温度960～980℃，时间一般控制在12～14小时，根据随炉参考试样决定渗碳时间，炉内碳势在开始强渗时间7小时按1.1％控制，第二段渗碳4小时按1.0％，最后扩散时间按0.82控制。
不锈钢渗碳时渗层中碳化物网状结构极难控制合格，用计算机可控气氛井式渗碳炉，可实现对炉内碳势的准确调控，为渗层碳化物网状合格的渗碳参数调控提供了极大的方便。1Cr11Ni2W2MoVA合金元素较多，渗碳时极易形成粗大的网状碳化物，与渗碳结构钢相比，其网状碳化物要严重得多，而且网状通过后续热处理不易消除，要想达到合格的渗碳层组织，渗碳难度极大。用井式炉进行气体渗碳时，通过上述调整渗碳工艺参数，尽量减小碳化物网，然后再用渗后热处理的办法细化晶粒，减轻或消除部份网状，使碳化物合格。
碳化层深度应控制在0.7～1.0mm，使之满足后序金加工工艺的要求，碳化层太深，车削加工时容易断裂崩块。
渗层深度的测试方法：HB5493金相织织测定法规定，低碳钢、低碳合金钢的渗碳层深度＝过共析层+共析层+1/2过渡区的总和；高铬钢(1Cr13、2Cr13等)碳氮共渗层深度＝过共析层+共析层+2/3过渡区的总和，该标准未规定1Cr11Ni2W2MoVA不锈钢渗碳层深度的测定方法。通过试验，基本上摸索出了该材料的渗碳层深度应为：从零件渗碳表面测至碳化物网结束时为止的渗碳层总和，即过共析层+共析层的总和，并用维氏硬度法得到了验证。
控制碳化层碳化物浓度，通过上述调整渗碳工艺参数，使碳化物级别符合HB5492-91中规定的≤6级，使之满足后序金加工工艺的要求，碳化物级别大于6级，磨削加工时容易磨裂。
三、渗碳后热处理，包括步骤：
①.正火，温度980±10℃真空正火，保温时间按25～30分钟+2～3分钟/每mm条件厚度[例如，某种材料的零件，基础保温时间应为25分钟，附加保温时间2分钟，厚度为10mm，则保温时间为25+(2×10)＝45分钟]，氩气冷却，零件在加热过程中真空度保持在25Pa以上。
②.高温回火，温度为670～690℃，时间为3.5小时左右，并随炉降温到500℃出炉，空冷。
③.淬火，温度960±10℃真空淬火，油冷。
④.冷处理，温度-60±10℃，时间2小时，空冷60～90分钟。
⑤.低温回火，温度180±10℃，时间3小时，空冷。
四、零件精加工
将零件金加工(车削、磨削等)至设计要求的形状、尺寸。
五、表面钝化处理
将零件置于钝化溶液中钝化，使渗碳层次表面硬度保持稳定，硬度稳定在HRC57以上。硬度低于HRC55不合格，渗碳面容易被划伤。目视渗碳表面颜色发暗，硬度检测必然低于HRC55。其原因是，渗碳表面在钝化时发生腐蚀，析出碳黑，从而降低了渗碳面表层的硬度。因此，钝化处理的关键是钝化液配方和钝化时间。钝化方法，在下述钝化液中钝化5分钟。钝化液配方：20～25体积％硝酸，3～4重量％重铬酸钠，余量是水。
经上述处理后，零件的技术指标如下：
渗碳层表面硬度：HRC≥55；非渗碳面硬度：HRC33～45；HRC34～46；金相组织：渗碳层碳化物级别、残余奥氏体、中心组织按HB5492-91检查合格；高温回火硬度：HRC≤30。
需要说明，以上只是本发明的一个应用实例，按照本发明技术方案的教导，调整相应的工艺参数，也可加工其它牌号的马氏体不锈钢渗碳制品。