CN101265582A - 20CrMnMo节能渗碳复合热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种20CrMnMo节能渗碳复合热处理工艺，按照下列步骤进行：1.根据工件技术选择合适的工艺参数进行渗碳；2.工件随炉缓慢降温，渗层表面逐步析出少量细网渗碳体，降温至600－650℃时，炉内保温一段时间，工件发生奥氏体向珠光体重结晶转变，同时渗碳层表面碳化物发生球化作用；3.升温至820－840℃保温，出炉淬火，使奥氏体转变为马氏体；4.进行回火处理。该工艺极大地缩短了工艺时间，提高生产效率，并且提高工件的硬度、耐磨性和疲劳强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种热处理工艺，特别涉及20CrMnMo渗碳淬火工艺。
背景技术
传统的渗碳淬火主要有以下几种：
1.渗碳后降温至淬火温度，经保温后直接淬火，采用此方法使材料晶粒粗大，脆性大，工件组织应力大，只能适用承载强度较小的小模数齿轮。
2.渗碳后直接出炉空冷或出炉后进缓冷坑冷到室温，再进炉加热淬火。由于20CrMnMo材料特性，对渗碳后冷却速度有严格要求，否则由于冷却时，零件表层组织和次表层组织转变非同时性，工件表面会产生较大的拉应力，容易发生开裂。可是渗碳后的冷却速度却难以控制。
3.质量要求高的深层渗碳零件为了同时保证表面渗碳层组织和心部组织的质量指标，也可采用二次淬火方法，但这样不仅热处理应力大，工件变形开裂危险大大增加。
4.如图1所示，20CrMnMo渗碳后炉冷至550℃，再出炉空冷至室温，并重新进炉加热至830-850℃保温淬火，然后回火。这样的工艺存在三个缺点：
(一)因为炉外冷却温度越低对避免工件表面氧化脱碳越有利，但温度越低，降温速度越慢，从600℃降温到550℃约需8小时由于出炉冷时间长，而且重新升温也需要一定的时间，由于工件淬火加热进炉后，先要通入渗碳剂使加热炉达到一定渗碳气氛，以免工件在淬火加热时表面脱碳，影响使用寿命。在炉里建立所需要的碳势也需要一定的时间，传统工艺具有生产周期比较长的缺点，在目前节约能源、降低能耗的环境下，市场迫切需求能综合生产周期，节能降耗的市场需求。
(二)生产周期长，降低了生产效率。
(三)传统的工艺技术是先炉冷至550℃，再出炉空冷至室温，出炉后工件与空气接触的范围增加，工件表面很容易氧化脱碳。
为了解决上述技术问题，有必要新开发一种新的20CrMnMo渗碳热处理工艺。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对常规20CrMnMo渗碳热处理工艺周期长、能耗高，易被氧化的缺点，提供一种20CrMnMo渗碳复合热处理工艺，既缩短了工艺时间，提高生产效率，又节约能耗。
为了解决上述技术问题，本发明采用下列技术方案：
如图2所示，一种20CrMnMo节能渗碳复合热处理工艺，按照下列步骤进行：
一、根据工件技术选择合适的工艺参数进行渗碳；
二、工件随炉缓慢降温，渗层表面逐步析出少量细网渗碳体，降温至600-650℃时，炉内保温一段时间，工件发生奥氏体向珠光体重结晶转变，同时渗碳层表面碳化物发生球化作用；等温阶段的时间与工件尺寸，装炉量，渗碳层深度有关。工件大，装炉量大，渗层深，等温时间应适当延长。等温阶段碳化物的球化效果还与表面含碳量有关，如果表面碳浓度偏高，已经形成了粗网或大块状碳化物，则球化效果较差。这也是减速箱齿轮此渗碳复合热处理技术的控制要点。选择600℃左右等温温度，是为了使渗碳粗大的奥氏体晶粒发生再结晶相变。
三、升温至820-840℃保温，出炉淬火，使奥氏体转变为马氏体；其中，淬火加热阶段，珠光体转变成奥氏体，渗层部分碳化物深入奥氏体，保证了淬火后马氏体的高硬度和强度。
四、进行回火处理。回火阶段，经过200℃-240℃阶段回火，淬火马氏体转变成回火马氏体。同时，表面残余奥氏体分解为马氏体，满足了齿轮表面高硬度心部强韧性的技术条件，消除了热处理应力。
在第一步骤中，所述的渗碳温度为920℃-940℃，比如，可以为920℃、925℃、930℃、930℃、935℃或940℃。
所述的回火温度为200-240℃内的任一温度。
所述的渗碳过程中通入渗碳剂，比如，甲醇或丙酮。当然也可以为其他渗碳剂。
本发明的技术效果显著，具体体现为：
在渗碳后无需出炉冷却，工件仍然在炉内的碳势气氛中，以渗层深度2.5-2.8mm的20CrMnMo为例，本发明将渗碳淬火的工艺时间从原来的68小时缩短为45小时(不计回火)，缩短渗碳热处理工艺周期20％，降低能耗约10％，同时还减少了渗碳剂的消耗，开拓了高效节能的渗碳热处理新途径。
(二)本发明采用的热处理工艺减少了出炉环节，避免工件与空气接触，从而表面氧化脱碳倾向降低。
(三)渗碳后淬火前的等温过程对渗碳层表面碳化物有球化作用，增加了加工产品的耐磨性，提高了产品的综合质量，大幅度提高加工零件的使用寿命。
(四)能保证20CrMnMo的渗碳深度、硬度、金相组织，降低产品开裂倾向、可控性强。
附图说明
图1为常规的20CrMnMo热处理工艺示意图；
图2为本发明对20CrMnMo热处理工艺示意图；
图3为本发明对20CrMnMo大型齿轮热处理工艺示意图；
图4为常规热处理工艺对20CrMnMo大型齿轮热处理工艺示意图。
具体实施方式
本实施例中，以20CrMnMo大型齿轮为例，有效工作室尺寸：直径Φ1700mm，高1600mm，采用的热处理设备是井式气体渗碳炉，装炉量：每炉两只，加热功率：180KW。图3中，大型齿轮的模数m＝20，尺寸：Φ1190mm×330mm，单件重量：1879kg，z＝72。
如图3所示，依次按照下列步骤操作：
一、将20CrMnMo大型齿轮加温12小时，达到930℃，930℃条件下渗碳16小时；渗碳阶段优化了渗碳中强渗、扩散各阶段的碳势，时间各工艺参数合理选择，以较快的渗碳速度达到了渗层深度，渗层硬度梯度等质量指标。
二、将20CrMnMo大型齿轮炉冷7小时至600-620℃，其中，渗碳炉冷阶段，随着温度的缓慢降低，渗层表面逐步析出少量细网渗碳体，冷到≤620℃时发生奥氏体向珠光体重结晶转变，在600-620℃保温2小时，使渗碳层表面碳化物发生球化作用，为后续淬火作了准备。
三、将20CrMnMo大型齿轮加热2小时至830-840℃，保温2小时，出炉油冷淬火，使奥氏体转变为马氏体；同时，奥氏体中保留了部分未溶的碳化物颗粒，淬火后，工件表层组织为细针状马氏体加少量弥散分布的碳化物，心部为板条状马氏体及少量铁素体。齿轮获得了表面高硬度，高耐磨性，高疲劳强度，心部一定强韧性的使用性能。新工艺大幅减少了淬火工艺占用时间，以同样的装炉量(3T)为例，传统工艺从室温升至840℃，并建立碳势气氛需10个小时，而新工艺从600℃升至840℃只需3个小时，炉内碳势气氛因一直保持，无需重新建立。另外，由于从渗碳至淬火整个工艺过程工件始终处于保护气氛中，热处理后，齿轮表面氧化脱碳少，热处理畸变量也较小。
四、进行2小时回火处理。
为了改善渗碳条件，所述的渗碳过程中通入渗碳剂甲醇或丙酮。
采用本发明的热处理工艺对20CrMnMo大型齿轮进行处理后得到的技术参数如下：
表面硬度：60-61.5HRC
有效硬化层深度：CHD＝4.82mm
表面碳化物级别：2级
表面马氏体及残余奥氏体级别：2级
表面非马氏体组织0.026mm
心部组织为低碳马氏体，心部铁素体级别为2级。
上述技术参数完全符合下列热处理技术要求
齿轮表面硬度：58-62HRC
心部硬度：28-33HRC
有效硬化层深度：4.3-4.9mm
有效硬化层深度：2.5-4.9mm
表面含碳量：0.80-1.05％
表面碳化物级别：1-3级
表面马氏体及残余奥氏体级别：1-4级
表面脱碳层≤0.10mm
表面外马氏体组织≤0.10mm
心部组织：1-4级
齿轮公法线尺寸变形允差：＜1.0mm
渗碳质量标准《JB/T 6141.2-92重载齿轮渗碳质量检验》。
如图4所示，采用常规热处理工艺的时间为：
渗碳阶段：加热12小时，保温16小时，出炉空冷15小时；
淬火阶段：加热10小时，保温2小时，出炉油冷。
就同样的20CrMnMo大型齿轮渗碳热处理而言，本发明的热处理工艺与常规热处理工艺相比较，可以看出：(一)常规热处理工艺的时间多14小时；(二)本发明比常规热处理工艺减少一次出炉次数，有利于节约能源、提高效率，并避免工件表面被氧化。
Claims (5)
1.一种20CrMnMo节能渗碳复合热处理工艺，按照下列步骤进行：
一、根据工件技术选择合适的工艺参数进行渗碳；
二、工件随炉缓慢降温，渗层表面逐步析出少量细网渗碳体，降温至600-650℃时，炉内保温一段时间，工件发生奥氏体向珠光体重结晶转变，同时渗碳层表面碳化物发生球化作用；
三、升温至820-840℃保温，出炉淬火，使奥氏体转变为马氏体；
四、进行回火处理。
2.根据权利要求1所述的20CrMnMo节能渗碳复合热处理工艺，其特征在于：在第一步骤中，所述的渗碳温度为920℃-940℃。
3.根据权利要求1所述的20CrMnMo节能渗碳复合热处理工艺，其特征在于：所述的回火温度为200-240℃。
4.根据权利要求1或2所述的20CrMnMo节能渗碳复合热处理工艺，其特征在于：所述的渗碳过程中通入渗碳剂。
5.根据权利要求4所述的20CrMnMo节能渗碳复合热处理工艺，其特征在于：所述的渗碳剂为甲醇或丙酮。
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