[发明专利]一种具有高抗接触疲劳性能的20Cr2Ni4A渗碳钢及其制备方法

说明书

本发明提供了一种具有高抗接触疲劳性能的20Cr2Ni4A渗碳钢及其制备方法，属于金属材料技术领域。本发明采用稀土真空渗碳热处理和离子注入技术的复合强化工艺，即通过对20Cr2Ni4A钢渗碳前注入稀土元素与渗碳后注入过渡金属元素，在一定深度使20Cr2Ni4A钢缺陷密度增加，既能为渗碳过程中碳原子扩散提供理想的通道，提高碳原子的渗入深度和浓度，细化渗碳层晶粒组织；又能形成硬化陶瓷相及纳米晶相等强化相，提高表面硬度，改善20Cr2Ni4A钢的力学性能，使其表面的抗接触疲劳性能得到明显提高。

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，尤其涉及一种具有高抗接触疲劳性能的20Cr2Ni4A渗碳钢及其制备方法。

背景技术

20Cr2Ni4A钢被广泛应用于制造齿轮中，其具有强度高、韧性好及淬透性高的特点，热处理后具有良好的综合性能。重载齿轮由于长期承受较大反复交变载荷作用，在恶劣服役工况中多发接触疲劳失效，其中剥落失效是硬化齿面接触疲劳失效的主要形式，它的存在会降低齿轮的承载能力与抗接触疲劳强度。

近年来，国内外学者已经对20Cr2Ni4A钢的渗碳热处理进行了许多探索和研究，着力于改善渗碳层质量，以期得到具有高硬度、平缓硬度梯度分布的均匀渗碳层。目前，渗碳热处理的方法包括高温渗碳、真空渗碳、稀土渗碳等，但是仍存在真空渗碳层碳分布不均匀、有效硬化层深度不够等问题，所得20Cr2Ni4A渗碳钢的抗接触疲劳性能仍有待提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高抗接触疲劳性能的20Cr2Ni4A渗碳钢及其制备方法，本发明通过对20Cr2Ni4A钢渗碳前注入稀土元素与渗碳后注入过渡金属元素，在一定深度使20Cr2Ni4A钢缺陷密度增加，既能提高碳原子的渗入深度和浓度，细化渗碳层晶粒组织，又能提高表面硬度，改善20Cr2Ni4A钢的力学性能，使其表面的抗接触疲劳性能得到明显提高。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种具有高抗接触疲劳性能的20Cr2Ni4A渗碳钢的制备方法，包括以下步骤：

对20Cr2Ni4A钢进行离子注入预处理，得到预处理钢材料；

对所述预处理钢材料进行真空渗碳热处理，得到渗碳钢材料；

对所述渗碳钢材料进行离子注入后处理，得到具有高抗接触疲劳性能的20Cr2Ni4A渗碳钢；

其中，所述离子注入预处理采用的注入元素为稀土金属元素，所述离子注入后处理采用的注入元素为过渡金属元素。

优选地，所述离子注入预处理采用的注入元素为La或Y，所述离子注入后处理采用的注入元素为Ti或Ti+Cr。

优选地，所述离子注入预处理的操作条件包括：真空度为3.5×10^-3Pa，注入温度为15～35℃；La的注入能量为100keV，La的注入剂量为2×10¹⁷ions/cm²；Y的注入能量为105keV，Y的注入剂量为2×10¹⁷ions/cm²。

优选地，所述真空渗碳热处理包括依次进行的渗碳处理、第一回火、油淬火和第二回火。

优选地，所述渗碳处理在碳势为1.2％、温度为920℃、真空度为1×10^-5Pa的条件下进行，所述渗碳处理的时间为5h；所述渗碳处理过程中交替脉冲注入C₂H₂和N₂，以脉冲一次C₂H₂和脉冲一次N₂记为1个脉冲循环，共计进行25个脉冲循环。

优选地，所述第一回火的温度为650℃，时间为3h；所述油淬火的温度为820℃；所述第二回火的温度为180℃，时间为3h。