一种高铁用微合金化稀土处理钢及其制备工艺

摘要

一种高铁用微合金化稀土处理钢的制备工艺，包括将含碳量为0.19~0.22%的G20CrNi2Mo钢件置于含稀土及铝粉的熔盐中，通过熔盐中的金属原子和钢件基体中的碳、氮原子产生化学反应，扩散在钢件基体表面形成含有稀土元素的金属碳化层。稀土元素为钇、钕，引入形式为钇、钕的氯化物。可以以单一元素加入，也可以混合两种加入，两种稀土元素同时加入时按钇和钕重量比为1:1~1:3添加。本发明制备的一种高铁用微合金化稀土处理钢，通过调整熔盐的组分、配比以及制备工艺，实现了稀土处理钢高强度、表面高硬度和高韧性的合理匹配。克服了现有技术中的高铁用合金钢表面金相组织改善小，微合金效果不明显，综合性能差等技术缺陷。

权利要求

1.一种高铁用微合金化稀土处理钢，该稀土处理钢的基体为含碳量为0.19 0.22%的~

20CrNi2Mo钢件，其特征在于：在基体的外表面盐浴渗入处理形成有一层厚度为16～30μm的金属碳化层，该金属碳化层包括以下质量百分比的组分：0.05%～0.22%的Al，0.32%～0.47%的稀土元素，0.38%～0.49%的Cr，0.25%～0.37%的Si，0.41%～0.48%的Mn，0.20%～0.24%的Mo，所述的稀土元素为钇和钕中的一种或两种。

2.根据权利要求1所述的一种高铁用微合金化稀土处理钢，其特征在于：所述的稀土元素为两种时，钇和钕的质量比为1:1～1:3。

3.根据权利要求1或2所述的一种高铁用微合金化稀土处理钢的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：（1）、基体预处理：将20CrNi2Mo钢件放入甲醇或汽油中进行清洗，得到预处理后的基体，备用；

（2）、配制熔盐：按照质量百分比，分别称取1% 5%的Al粉和65% 98%的NaCl，充分混合~ ~后，加热至810 850℃进行溶化，之后，向其中加入质量百分比为1% 30%的稀土氯化物，并在~ ~

810 850℃温度下进行保温2 3h，得到熔盐，备用；

~ ~

所述的稀土氯化物为YCl3和NdCl3中的至少一种；

（3）、化学熔渗：控制步骤（2）制得的熔盐温度为850 900℃，将步骤（1）预处理后的基体~埋入该熔盐中，进行加热4 6h，之后，控制熔盐温度升温至950 1040℃，并在该温度下进行~ ~保温4 10h，然后，控制熔盐温度降温至800 900℃，进行保温0.5 1h；

~ ~ ~

（4）、淬、回火：将步骤（3）经过化学熔渗后的钢件取出，转置于淬火油中进行淬火处理，之后，采用100℃的工业用水对钢件表面进行清洗，然后，置于170 200℃条件下进行回火保~温处理1 3h，之后，采用100℃的清洗液对钢件进行再次清洗，即得到成品高铁用微合金化~稀土处理钢。

4.根据权利要求3所述的一种高铁用微合金化稀土处理钢的制备工艺，其特征在于：在步骤（2）中，所用Al粉、NaCl、YCl3和NdCl3的粒度均为0.050 0.225mm。

~

5.根据权利要求3所述的一种高铁用微合金化稀土处理钢的制备工艺，其特征在于：在步骤（4）中，所用的清洗液为质量浓度为5%的NaNO2溶液。

6.根据权利要求3所述的一种高铁用微合金化稀土处理钢的制备工艺，其特征在于：在步骤（4）中，所述的淬火处理为一级淬火或双级淬火。

7.根据权利要求6所述的一种高铁用微合金化稀土处理钢的制备工艺，其特征在于，所述双级淬火的具体操作为：将钢件先置于温度为50 70℃的淬火油中进行第一次油淬，之~后，采用100℃的工业用水对钢件表面进行清洗，然后，将钢件置于温度为805 830℃的淬火~油中进行第二次油淬。

说明书

一种高铁用微合金化稀土处理钢及其制备工艺

技术领域

[0001] 本发明涉及钢件的表面强化处理技术领域，具体的说是一种用于高速铁路轴承的稀土处理钢及其扩渗工艺。

背景技术

[0002] 高铁轴承作为高速列车机械传动系统的关键行走构件之一，其性能、寿命和可靠性成为整车的稳定性、安全性的制约因素。以编组质量为451t的CRH5轴箱轴承为例，以平均值估算，每套轴承载荷约为68.7kN，最大滚动体载荷约为7.6kN，内圈滚道与滚子的接触应力约为810MPa。目前，国内用于列车轴承的钢种包括高碳铬轴承钢（GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo等）和渗碳轴承钢（G20CrNiMo、G20CrNi2Mo、G20Cr2Ni4等）两种类型。其中，20CrNi2Mo钢，通过渗碳及热处理后会获得高的硬度、耐磨性、高的疲劳强度，同时芯部还会具有高的强韧性，可用于制造铁路轴承套圈。

[0003] 服役过程中，轴承钢件受到源于表层不同程度的破坏，因此，在其表面附上一层强度高、耐磨、抗氧化的涂层材料，可以有效地抑制或减缓各种破坏过程的产生、发展。目前，表面防护处理方法包括气相沉积、电镀、喷涂和渗入技术等，其中，盐浴渗入法是一种应用非常广泛的表面处理技术。经过盐浴渗入处理后可以较好地提高基体强度、硬度、耐磨和耐腐蚀性能，而且盐浴渗入形成的新相与基体结合紧密，附着力强，可以承受较大的载荷而不剥落、破坏。如中国专利CN1039069A中公开了一种固态稀土化学热催渗剂，该催渗剂的成份为氯化La或Ce稀土盐10 40％，碳酸钠和碳酸钡50 60％，尿素10 20％，醋酸钠15 20％，在~ ~ ~ ~处理渗碳钢、结构钢和模具钢时，较好地克服了化学热处理普遍能耗高、费时的局限，取得了较好的催渗效果，但由于其组分单一，存在对金相组织改善影响小，微合金化效果不明显等缺点。

发明内容

[0004] 为了克服现有技术中的高铁用合金钢表面金相组织改善小，微合金效果不明显，综合性能差等技术缺陷，本发明提供了一种高铁用微合金化稀土处理钢及其制备工艺，通过调整熔盐的组分、配比以及制备工艺，实现了稀土处理钢高强度、表面高硬度和高韧性的合理匹配。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种高铁用微合金化稀土处理钢，该稀土处理钢的基体为含碳量为0.19 0.22%的20CrNi2Mo钢件，在基体的外表面盐浴~渗入处理形成有一层厚度为16～30μm的金属碳化层，该金属碳化层包括以下质量百分比的组分：0.05%～0.22%的Al，0.32%～0.47%的稀土元素，0.38%～0.49%的Cr，0.25%～0.37%的Si，0.41%～0.48%的Mn，0.20%～0.24%的Mo，所述的稀土元素为钇和钕中的一种或两种，稀土元素以两种混合的形式加入时，钇和钕的重量比为1:1～1:3，引入形式为钇、钕的氯化物。

[0006] 一种高铁用微合金化稀土处理钢的制备工艺，包括以下步骤：

[0007] （1）、基体预处理：将20CrNi2Mo钢件放入甲醇或汽油中进行清洗，得到预处理后的基体，备用；

[0008] （2）、配制熔盐：按照质量百分比，分别称取1% 5%的Al粉和65% 98%的NaCl，充分混~ ~合后，加热至810 850℃进行溶化，之后，向其中加入质量百分比为1% 30%的稀土氯化物，并~ ~
在810 850℃温度下进行保温2 3h，得到熔盐，备用；
~ ~

[0009] 所述的稀土氯化物为YCl3和NdCl3中的至少一种；

[0010] （3）、化学熔渗：控制步骤（2）制得的熔盐温度为850 900℃，将步骤（1）预处理后的~基体埋入该熔盐中，进行加热4 6h，之后，控制熔盐温度升温至950 1040℃，并在该温度下~ ~
进行保温4 10h，然后，控制熔盐温度降温至800 900℃，进行保温0.5 1h；
~ ~ ~

[0011] （4）、淬、回火：将步骤（3）经过化学熔渗后的钢件取出，转置于淬火油中进行淬火处理，之后，采用100℃的工业用水对钢件表面进行清洗，然后，置于170 200℃条件下进行~回火保温处理1 3h，之后，采用100℃的清洗液对钢件进行再次清洗，即得到成品高铁用微~
合金化稀土处理钢。

[0012] 在步骤（2）中，所用Al粉、NaCl、YCl3和NdCl3的粒度均为0.050~0.225mm。

[0013] 在步骤（4）中，所用的清洗液为质量浓度为5%的NaNO2溶液。

[0014] 在步骤（4）中，所述的淬火处理为一级淬火或双级淬火。

[0015] 所述双级淬火的具体操作为：将钢件先置于温度为50 70℃的淬火油中进行第一~次油淬，之后，采用100℃的工业用水对钢件表面进行清洗，然后，将钢件置于温度为805~
830℃的淬火油中进行第二次油淬。

[0016] 本发明的有益效果：

[0017] （1）、本发明所制备的微合金化稀土处理钢，通过熔盐的组分和配比的调整，以及扩渗工艺中众多参数的把控，使熔盐中的钇、钕、铝等金属原子能够和G20CrNi2Mo钢件基体中的碳、氮原子产生化学反应，并进而扩散在钢件基体表面形成含有钇、钕的金属碳化层。钇、钕稀土元素的加入可在化学热处理中起到活化催渗作用，并能有效改善工件表层的组织和性能。制备工艺中，淬火步骤中采用双级分阶段淬火的方式，有效降低了盐浴能耗，保证了熔盐中的金属原子和钢件基体中的碳、氮原子能够进行充分的化学反应，进而扩渗到基体内。钇、钕原子渗入工件表面形成渗层后，起到了微合金化的作用，改变了渗层组织结构并细化了组织，有效提高了硬化层的深度，改善了耐磨性、显微硬度和抗腐蚀性等。实现了稀土处理钢高强度、表面高硬度和高韧性的合理匹配。

[0018] （2）、本发明所制备的微合金化稀土处理钢，制备工艺中，通过热扩渗、分级淬火、回火等工艺操作，使成品微合金化稀土处理钢的渗层厚度不小于16μm，且厚度均匀，综合性能好，经测定，该渗层的抗拉强度不小于1405MPa、室温表层硬度达到不小于62HRC、断裂韧½性不小于102MPa·m，能较好地满足高速铁路用轴承钢件性能的要求。

具体实施方式

[0019] 下述实施例仅对本发明作进一步详细说明，但不构成对本发明的任何限制。

[0020] 一种高铁用微合金化稀土处理钢的制备工艺，包括将含碳量为0.19 0.22%的~G20CrNi2Mo钢件置于含稀土及铝粉的熔盐中，通过熔盐中的金属原子和钢件基体中的碳、氮原子产生化学反应，扩散在钢件基体表面形成含有稀土元素的金属碳化层。本发明所述的稀土元素为钇、钕，引入形式为钇、钕的氯化物。可以以单一元素加入，也可以混合两种同时加入，两种稀土元素同时加入时按钇和钕重量比为1:1 1:3添加。
~

[0021] 一种高铁用微合金化稀土处理钢的扩渗制备工艺，该工艺包括下列步骤：

[0022] （1）、基体预处理：将20CrNi2Mo钢件放入甲醇或汽油中进行清洗，得到预处理后的基体，备用；

[0023] （2）、配制熔盐：按照质量百分比，分别称取1% 5%的Al粉和65% 98%的NaCl，充分混~ ~合后，加热至810 850℃进行溶化，之后，向其中加入质量百分比为1% 30%的稀土氯化物，并~ ~
在810 850℃温度下进行保温2 3h，得到熔盐，备用；
~ ~

[0024] 所述的稀土氯化物为YCl3和NdCl3中的至少一种；

[0025] （3）、化学熔渗：控制步骤（2）制得的熔盐温度为850 900℃，将步骤（1）预处理后的~基体埋入该熔盐中，进行加热4 6h，之后，控制熔盐温度升温至950 1040℃，并在该温度下~ ~
进行保温4 10h，然后，控制熔盐温度降温至800 900℃，进行保温0.5 1h；
~ ~ ~

[0026] （4）、淬、回火：将步骤（3）经过化学熔渗后的钢件取出，转置于50 70℃的淬火油中~进行淬火处理，之后，采用100℃的工业用水对钢件表面进行清洗，然后，将钢件置于温度为
805 830℃的淬火油中进行第二次油淬。然后，置于170 200℃条件下进行回火保温处理1~ ~ ~
3h，之后，采用100℃的清洗液对钢件进行再次清洗，即得到成品高铁用微合金化稀土处理钢。

[0027] 实施例1

[0028] 本实施例所述的一种微合金化稀土处理钢，通过熔融盐浴，在含碳量0.21%的20CrNi2Mo钢基体表面渗入钇、钕金属，形成的含钇钕的金属碳层。其扩渗工艺为：

[0029] （1）、基体预处理：将20CrNi2Mo钢件放入甲醇中进行清洗，得到预处理后的基体，备用；

[0030] （2）、配制熔盐：按照质量百分比，分别称取5%的Al粉和80%的NaCl，充分混合后，加热至840℃进行溶化，之后，向其中加入质量百分比为5%的YCl3和质量百分比为10%的NdCl3，并在840℃温度下进行保温2h，得到熔盐，备用；

[0031] （3）、化学熔渗：控制步骤（2）制得的熔盐温度为850℃，将步骤（1）预处理后的基体埋入该熔盐中，进行加热5h，之后，控制熔盐温度升温至950℃，并在该温度下进行保温6h，然后，控制熔盐温度降温至860℃，进行保温30min；

[0032] （4）、淬、回火：将步骤（3）经过化学熔渗后的钢件取出，转置于60℃淬火油中进行淬火处理，之后，采用100℃的工业用水对钢件表面进行清洗，二次淬火选用805℃的淬火油中进行淬火处理，用100℃工业用水进行钢件清洗；然后，置于170℃条件下进行回火保温处理1h，之后，采用100℃的质量浓度为5%的NaNO2溶液对钢件进行再次清洗，即得到成品高铁用微合金化稀土处理钢。

[0033] 经测定：成品微合金化稀土处理钢的渗层厚度约为18μm，抗拉强度达到1410MPa、室温表层硬度达到63.2HRC、断裂韧性为105 MPa·m½。

[0034] 实施例2

[0035] 本实施例所述的一种微合金化稀土处理钢，通过熔融盐浴，在含碳量0.20%的20CrNi2Mo钢基体表面渗入钇、钕金属，形成的含钇钕的金属碳层。其扩渗工艺为：

[0036] （1）、基体预处理：将20CrNi2Mo钢件放入汽油中进行清洗，得到预处理后的基体，备用；

[0037] （2）、配制熔盐：按照质量百分比，分别称取5%的Al粉和75%的NaCl，充分混合后，加热至840℃进行溶化，之后，向其中加入质量百分比为8.75%的YCl3和质量百分比为11.25%的NdCl3，并在840℃温度下进行保温3h，得到熔盐，备用；

[0038] （3）、化学熔渗：控制步骤（2）制得的熔盐温度为860℃，将步骤（1）预处理后的基体埋入该熔盐中，进行加热5h，之后，控制熔盐温度升温至960℃，并在该温度下进行保温7h，然后，控制熔盐温度降温至860℃，进行保温30min；

[0039] （4）、淬、回火：将步骤（3）经过化学熔渗后的钢件取出，转置于60℃淬火油中进行淬火处理，之后，采用100℃的工业用水对钢件表面进行清洗，二次淬火选用810℃的淬火油中进行淬火处理，用100℃工业用水进行钢件清洗；然后，置于180℃条件下进行回火保温处理1.5h，之后，采用100℃的质量浓度为5%的NaNO2溶液对钢件进行再次清洗，即得到成品高铁用微合金化稀土处理钢。

[0040] 经测定：成品微合金化稀土处理钢的渗层厚度约为16μm，抗拉强度达到1405MPa、室温表层硬度达到62.9HRC、断裂韧性为102 MPa·m½。

[0041] 实施例3

[0042] 本实施例所述的一种微合金化稀土处理钢，通过熔融盐浴，在含碳量0.21%的20CrNi2Mo钢基体表面渗入钇、钕金属，形成的含钇钕的金属碳层。其扩渗工艺为：

[0043] （1）、基体预处理：将20CrNi2Mo钢件放入汽油中进行清洗，得到预处理后的基体，备用；

[0044] （2）、配制熔盐：按照质量百分比，分别称取5%的Al粉和70%的NaCl，充分混合后，加热至850℃进行溶化，之后，向其中加入质量百分比为5.2%的YCl3和质量百分比为19.8%的NdCl3，并在850℃温度下进行保温2h，得到熔盐，备用；

[0045] （3）、化学熔渗：控制步骤（2）制得的熔盐温度为870℃，将步骤（1）预处理后的基体埋入该熔盐中，进行加热6h，之后，控制熔盐温度升温至970℃，并在该温度下进行保温8h，然后，控制熔盐温度降温至880℃，进行保温40min；

[0046] （4）、淬、回火：将步骤（3）经过化学熔渗后的钢件取出，转置于70℃淬火油中进行淬火处理，之后，采用100℃的工业用水对钢件表面进行清洗，二次淬火选用820℃的淬火油中进行淬火处理，用100℃工业用水进行钢件清洗；然后，置于190℃条件下进行回火保温处理2h，之后，采用100℃的质量浓度为5%的NaNO2溶液对钢件进行再次清洗，即得到成品高铁用微合金化稀土处理钢。

[0047] 经测定：成品微合金化稀土处理钢的渗层厚度约为21μm，抗拉强度达到1401MPa、室温表层硬度达到63.4HRC、断裂韧性为104 MPa·m½。

[0048] 实施例4

[0049] 本实施例所述的一种微合金化稀土处理钢，通过熔融盐浴，在含碳量0.22%的20CrNi2Mo钢基体表面渗入钇、钕金属，形成的含钇钕的金属碳层。其扩渗工艺为：

[0050] （1）、基体预处理：将20CrNi2Mo钢件放入甲醇中进行清洗，得到预处理后的基体，备用；

[0051] （2）、配制熔盐：按照质量百分比，分别称取5%的Al粉和70%的NaCl，充分混合后，加热至850℃进行溶化，之后，向其中加入质量百分比为10%的YCl3和质量百分比为15%的NdCl3，并在850℃温度下进行保温3h，得到熔盐，备用；

[0052] （3）、化学熔渗：控制步骤（2）制得的熔盐温度为880℃，将步骤（1）预处理后的基体埋入该熔盐中，进行加热6h，之后，控制熔盐温度升温至980℃，并在该温度下进行保温7h，然后，控制熔盐温度降温至890℃，进行保温40min；

[0053] （4）、淬、回火：将步骤（3）经过化学熔渗后的钢件取出，转置于70℃淬火油中进行淬火处理，之后，采用100℃的工业用水对钢件表面进行清洗，二次淬火选用830℃的淬火油中进行淬火处理，用100℃工业用水进行钢件清洗；然后，置于200℃条件下进行回火保温处理3h，之后，采用100℃的质量浓度为5%的NaNO2溶液对钢件进行再次清洗，即得到成品高铁用微合金化稀土处理钢。

[0054] 经测定：成品微合金化稀土处理钢的渗层厚度约为30μm，抗拉强度达到1432MPa、室温表层硬度达到65.2HRC、断裂韧性为110 MPa·m½。

[0055] 实施例5

[0056] 本实施例所述的一种微合金化稀土处理钢，通过熔融盐浴，在含碳量0.19%的20CrNi2Mo钢基体表面渗入钇、钕金属，形成的含钇钕的金属碳层。其扩渗工艺为：

[0057] （1）、基体预处理：将20CrNi2Mo钢件放入甲醇中进行清洗，得到预处理后的基体，备用；

[0058] （2）、配制熔盐：按照质量百分比，分别称取1%的Al粉和98%的NaCl，充分混合后，加热至820℃进行溶化，之后，向其中加入质量百分比为1%的YCl3，并在810℃温度下进行保温3h，得到熔盐，备用；

[0059] （3）、化学熔渗：控制步骤（2）制得的熔盐温度为900℃，将步骤（1）预处理后的基体埋入该熔盐中，进行加热4h，之后，控制熔盐温度升温至960℃，并在该温度下进行保温10h，然后，控制熔盐温度降温至800℃，进行保温60min；

[0060] （4）、淬、回火：将步骤（3）经过化学熔渗后的钢件取出，转置于50℃淬火油中进行淬火处理，之后，采用100℃的工业用水对钢件表面进行清洗，二次淬火选用820℃的淬火油中进行淬火处理，用100℃工业用水进行钢件清洗；然后，置于190℃条件下进行回火保温处理3h，之后，采用100℃的质量浓度为5%的NaNO2溶液对钢件进行再次清洗，即得到成品高铁用微合金化稀土处理钢。

[0061] 经测定：成品微合金化稀土处理钢的渗层厚度约为17μm，抗拉强度达到1288MPa、室温表层硬度达到61.3HRC、断裂韧性为102 MPa·m½。

[0062] 实施例6

[0063] 本实施例所述的一种微合金化稀土处理钢，通过熔融盐浴，在含碳量0.22%的20CrNi2Mo钢基体表面渗入钇、钕金属，形成的含钇钕的金属碳层。其扩渗工艺为：

[0064] （1）、基体预处理：将20CrNi2Mo钢件放入汽油中进行清洗，得到预处理后的基体，备用；

[0065] （2）、配制熔盐：按照质量百分比，分别称取5%的Al粉和65%的NaCl，充分混合后，加热至810℃进行溶化，之后，向其中加入质量百分比为30%的NdCl3，并在840℃温度下进行保温2.5h，得到熔盐，备用；

[0066] （3）、化学熔渗：控制步骤（2）制得的熔盐温度为830℃，将步骤（1）预处理后的基体埋入该熔盐中，进行加热6h，之后，控制熔盐温度升温至1040℃，并在该温度下进行保温4h，然后，控制熔盐温度降温至900℃，进行保温40min；

[0067] （4）、淬、回火：将步骤（3）经过化学熔渗后的钢件取出，转置于820℃的淬火油中进行油淬，之后，用100℃工业用水进行钢件清洗；然后，置于180℃条件下进行回火保温处理2h，之后，采用100℃的质量浓度为5%的NaNO2溶液对钢件进行再次清洗，即得到成品高铁用微合金化稀土处理钢。

[0068] 经测定：成品微合金化稀土处理钢的渗层厚度约为27μm，抗拉强度达到1428MPa、室温表层硬度达到63.9HRC、断裂韧性为108MPa·m½。

[0069] 本发明各个实施例所制备的微合金化稀土处理钢的最终性能指标见表一所示。

[0070] 表一发明钢与对比钢的主要性能指标

[0071]