[发明专利]稀土深层渗碳钢

说明书

本发明稀土深层渗碳钢属于合金材料。

深层渗碳是重载大型齿轮和轴承的一种表层化学热处理，可有效地提高零件承载能力和使用寿命，具有很大的经济意义。由于重载大件要求渗层可达5-7mm，所以常选用高淬透性合金渗碳钢(如20Cr₂Ni₄A,20Cr₂Mn₂MoA等)作为深层渗碳钢，在920-950℃下进行100-200小时的长期渗碳。由于这种渗碳加热时间太长，这些用铝脱氧的一般合金渗碳钢，因奥氏体的长期热力学长大，会发生严重的晶粒粗化(可达2-3级)，碳化物呈块状和网状粗化，严重影响钢的强度和韧度。因此，在深层渗碳之后，需要应用重结晶细化晶粒的原理，再进行中间退火和二次加热淬火改善组织和性能。但是由于零件尺度大加热速度慢的影响，这些渗碳粗大淬火组织在二次加热淬火时又会重现，发生组织遗传，达不到细化组织和改善性能的要求。于是就需要从材料成分设计入手，加入新的合金元素，能有效长期阻碍奥氏体的晶粒长大和碳化物粗化，从根本上解决上述问题。

本发明稀土深层渗碳目的在于针对上述工业生产上存在的实际问题，结合我国丰富的稀土资源和合金资源，利用稀土在钢中细化晶粒和碳化物的作用，在原深层渗碳钢20Cr₂Mn₂MoA钢的基础上，再加入适量的稀土合金，发明了稀土深层渗碳钢20Cr₂Mn₂MoRE，成功地解决了上述存在的问题。

本发明稀土深层渗碳钢在长期渗碳下是一种细晶粒高强韧型的钢种，其组分中含有稀土元素铈、镧中的一种或这二者的混合物，稀土元素含量(重量)RE0.04-0.11，其它化学成分(重量％)为：C0.17-0.23,Mn1.8-2.2,Cr1.7-2.3,Si0.25-0.46,Mo0.25-0.45,S≤0.035,P≤0.035，余量为Fe及其不可避免的杂质。

本发明稀土深层渗碳钢，在电炉中冶炼，用稀土合金加入法或吊挂稀土加入法实现稀土元素加入量的控制。其关键是微量稀土元素在钢中的合金化作用。

本发明钢具有良好的渗碳性能，经140小时渗碳奥氏体晶粒细小，碳化物细小均匀，，二次加热淬火不发生组织遗传，比不加稀土钢渗碳速度提高约10-15％，强度和韧度较高等特点。可用表1给出的实施例稀土深层渗碳钢和对比钢的成分的实验结果来说明。

 表1、稀土深层渗碳钢实施成分和对比钢的成分    注：其中的RE为稀土元素铈、镧中的一种或这二者的混合物

1、阻止钢的奥氏体晶粒长大，细化了晶粒。

稀土元素是表面活性物质，固溶于钢中主要分布在晶界上，降低晶界能，既减小晶粒长大驱动力，又拖曳晶界的迁移。因而可有效地长期阻碍奥氏体晶粒长大。图1所示，稀土钢因稀土的阻碍，奥氏体晶粒长大很慢，经140小时长期加热，奥氏体晶粒仍很细小，平均直径(D)约30-40μm(晶粒度7级)。而不加稀土钢，奥氏体晶粒长大较快，140小时已长大到150-200μm(晶粒度2-3级)。

2、细化碳化物组织：分布在晶界上的稀土因降低界面能，可以阻止碳化物沿晶界形成和长大，使渗碳碳化物均匀分布，比较细小；而未加稀土钢，其碳化物为沿晶界分布，比较粗大。

3、防止粗晶组织遗传。

本发明钢经930℃140小时加热后再在850℃二次加热的淬火组织，其晶粒很细小，不存在粗晶组织遗传；未加稀土钢(比较钢)经930℃,140小时加热后，再经850℃二次加热的淬火组织，其晶粒粗大，发生了粗晶组织遗传，未起到二次加热淬火细化晶粒的效果。

4、提高渗碳速度。

钢中加入稀土有细化晶粒和净化晶界的作用，加速了碳沿晶界的扩散过程，所以可使渗碳速度提高。本发明钢的渗碳速度提高约10-15％。

5、提高了钢的强度和韧度。

因稀土有细化晶粒和碳化物组织等的作用，所以可以使钢的强度和韧度明显提高。表2是本发明钢和比较钢在正常加热淬火情况下的常规力学性能。

 表2、钢的常规力学生能(870℃加热淬火，200℃回火)

表3是两种钢经98小时渗碳后，经不同热处理的渗层弯曲强度。本发明钢因无粗晶组织遗传，晶粒细小，渗层弯曲强度较高；而未加稀土钢(比较钢)，因发生组织遗传，晶粒粗化，所以渗层弯曲强度很低。

         表3、钢的渗层弯曲强度(Mpa)