CN102732821A - 一种易切削钢部件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种易切削钢部件及其制造方法，其中易切削钢部件包括：含有一种以上的易切削元素的基体、含有碳元素和氮元素的强化层；本发明的方法，主要采用了先渗碳再碳氮共渗的方法，采用了优化了的参数和工艺，本发明的有益之处在于：由于避免了因碳浓度增高导致氮化物氮化物分解及脱氮从而使原子氮变成分子氮而形成孔洞和黑色组织的缺陷，提供一种表面性能更好的易切削钢部件及其制造方法。

Description

一种易切削钢部件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种钢材部件及其制造方法，具体涉及一种易切削钢部件及其制造方法。 
背景技术
易切削钢在钢中加入一定数量的一种或一种以上的易切削元素，以改善其切削性的合金钢。又称自动机床加工用钢，简称自动钢。这类钢可以用较高的切削速度和较大的切削深度进行切削加工。由于钢中加入的易切削元素，使钢的切削抗力减小，同时易切削元素本身的特性和所形成的化合物起润滑切削刀具的作用，易断屑，减轻了磨损，从而降低了工件的表面粗糙度，提高了刀具寿命和生产效率。
为了提高易切削钢所构成的部件的表面性能，往往对易切削钢所构成部件进行表面处理，以制造出具有相应性能的易切削钢部件。
碳氮共渗是一种较为普遍能够提高表面性能的方法，一般的碳氮共渗包括一个碳势较高强渗阶段和一个碳势较低扩散阶段，但是，由于碳氮共渗初期渗层中吸入大量的氮，在碳氮共渗后期由于碳浓度的升高，发生氮化物分解及脱氮过程，原子氮变成分子氮而形成孔洞，并且是非金属氮原子被还原，成为气体分子形成气球，产生点状黑色组织及孔洞，造成作为表面的共渗层厚度达标的情况下并不能实现预设的表面性能，使易切削钢部件出现表面硬度不均匀，个别检测点低出要求范围的情况。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种易切削钢部件及其制造方法以克服因出现孔洞而降低性能的问题。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种易切削钢部件，其特征在于，包括：含有一种以上的易切削元素的基体、含有碳元素和氮元素的强化层；上述基体与上述强化层紧密相接，上述强化层形成于上述基体的表层，上述强化层为致密结构；上述强化层的厚度为0.1mm-0.8mm。
具体而言，上述易切削元素包括: 硫、磷、铅。
具体而言，上述强化层的HR15N硬度值范围为88-92。
具体而言，上述强化层中氮元素以原子的形式存在，上述强化层含有：细针状的回火马氏体、残余奥氏体。
本发明一种易切削钢部件的制造方法，其特征在于，以国标GB8731-88标准中的易切削钢作为胚材，方法包括如下的步骤：
a表面清洁：对待处理的易切削钢胚材的表面进行清洁处理；
b升温、保温：加热升温至摄氏温度800-880度保温10-60分钟；
c强渗阶段：在摄氏温度800-880度、碳势为1.0%-1.4%的条件下渗碳30-200分钟，该阶段碳势范围所允许的误差为±0.05%；
d扩散阶段：在摄氏温度800-880度、碳势为0.8%-1%、氮气环境的条件下渗碳20-100分钟，该阶段碳势范围所允许的误差为±0.05%；使用氨气作为氮源、氨气充入量为1.33-2.34升/立方米/小时。
e淬火：在冷却油中冷却10至20分钟；
f回火：在加热炉中进行回火处理。
具体而言，在步骤b、c、d中均采用带有循环风扇的箱式多用渗碳炉，在步骤c、d中，渗碳稀释气体通过使用甲醇滴入炉内裂解实现，富化气采用甲烷。
具体而言，上述冷却油为光亮淬火油。
具体而言，上述冷却油的油温范围为：摄氏温度60度至120度。
具体而言，上述步骤f中，回火温度范围为：摄氏温度160度至240度，回火的保温时间为100分钟至120分钟。
具体而言，上述胚材为国标GB8731-88中牌号为Y15Pb或Y15所代表的钢材。
本发明的有益之处在于：由于采用了优化了的参数和工艺，避免了因碳浓度增高导致氮化物氮化物分解及脱氮从而使原子氮变成分子氮而形成孔洞和黑色组织的缺陷，提供一种表面性能更好的易切削钢部件及其制造方法。
附图说明
图1所示为采用一般的碳氮共渗方法加工出的一个材质为Y15Pb的易切削钢部件的表面附近处的金相照片，放大倍数为300倍；
图2所示为图1所示的钢部件的表面附近处经过质量浓度为5%的硝酸溶液侵蚀后的金相照片，放大倍数为300倍；
图3是本发明的一种易切削钢部件的剖视结构示意图；
图4是利用本发明的方法的一个优选实例制造出的一个材质为Y15Pb的易切削钢部件的表面附近处的金相照片，放大倍数为300倍；
图5是所示为图4所示的钢部件的表面附近处经过质量浓度为5%的硝酸溶液侵蚀后的金相照片，放大倍数为300倍。
图中附图标记的含义：
1、基体，2、强化层。 
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
参照图3所示，本发明的一种易切削钢部件主要包括两部分，基体和强化层，其中强化层由基体进行后期热处理而形成。
具体而言，基体组分和结构相当于含有易切削元素的碳钢，即相当于未经处理的易切削钢胚材本身，因此其能继承了易切削钢本身的优良性能，使本发明的易切削钢部件的内部强韧性较好。
作为一种优选方案，基体中易切削元素包括: 硫、磷、铅中的一种或几种。
参照图4和图5，我们可以看出，本发明的强化层中含有增强元素碳元素和氮元素，强化层本身为一层致密结构，致密结构是一直在强化层中没有明显的孔洞或间隙，强化层与基体也紧密接触，是指强化层和基体之间没有明显缝隙和孔洞以及其他结构的阻隔，强化层是紧紧依附在基体上的。
进一步说明的是，强化层的厚度为0.1mm-0.8mm，其HR15N硬度值范围为88-92。
本发明的方法中，以国标GB8731-88中的易切削钢作为制造部件的胚材，具体而言，作为优选可以采用牌号为Y15、Y15Pb的易切削钢。选取胚材后依次进行如下的步骤：
a表面清洁：对待处理的易切削钢胚材的表面进行清洁处理。这样的作用是排除表面的油污等缺陷对后继步骤的影响。
b升温、保温：加热升温至摄氏温度800-880度保温10-60分钟；
c强渗阶段：在摄氏温度800-880度、碳势为1.0%-1.4%的条件下渗碳30-200分钟，该阶段碳势范围所允许的误差为±0.05%。在该阶段，并不进行渗氮处理，消除了出现缺陷的源头。
d扩散阶段：在摄氏温度800-880度、碳势为0.8%-1%、氮气环境的条件下渗碳20-100分钟，该阶段碳势范围所允许的误差为±0.05%；使用氨气作为氮源、氨气充入量为1.33-2.34升/立方米/小时。通过实践证明在该阶段的渗氮，大大降低了因为分子氮产生的黑色组织及孔洞出现的概率。
作为一种优选方案，在步骤b、c、d中均采用带有循环风扇的箱式多用渗碳炉实现，采用该种渗碳炉的好处在于，炉内有循环风扇，以保证炉内温度及气氛的均匀。
需要说明的一点是，在步骤c、d中，渗碳稀释气体通过使用甲醇滴入炉内裂解实现，富化气采用甲烷。
e淬火：在冷却油中冷却10至20分钟；作为一种优选方案，上述冷却油为光亮淬火油，冷却油的油温范围为：摄氏温度60度至120度。
f回火：在加热炉中进行回火处理。步骤f中，回火温度范围为：摄氏温度180度至240度，回火的保温时间为100分钟至120分钟。
以下以牌号为Y15Pb的易切削钢作为胚材举例说明。
图4和图5为采用本发明的方法，以牌号Y15Pb的钢材作为胚材时，采用如下的步骤：
a表面清洁：对待处理的易切削钢胚材的表面进行清洁处理；
b升温、保温：加热升温至摄氏温度860度保温10分钟；
c强渗阶段：在摄氏温度860度、碳势为1.2%的条件下渗碳160分钟，该阶段碳势范围所允许的误差为±0.05%。
d扩散阶段：在摄氏温度860度、碳势为0.9%、氮气环境的条件下渗碳60分钟，该阶段碳势范围所允许的误差为±0.05%；使用氨气作为氮源、氨气充入量为1.33升/立方米/小时。
e淬火：在冷却油中冷却17分钟；作为一种优选方案，冷却油为光亮淬火油，冷却油的油温为70摄氏度。
f回火：在加热炉中进行回火处理。回火温度为170度，回火的保温时间为110分钟。
从图4和图5中可以清楚的看出按照上述优选的方法加工出的本发明的部件，没有明显的孔洞、缝隙和黑色组织。经过检测，图4或图5所示的部件的表面强化层的厚度为0.4mm，HR15N硬度值为91。
而同样的胚材，按照一般的共渗思路，在其它参数完全相同的情况下，仅在c强渗阶段也同时进行渗氮，即在氮气环境下进行c强渗阶段，所制出的部件如图1或图2所示，可以明显看出，表层中存在黑色组织和孔洞，这大大影响了表面性能，使我们性能设计达不到指标，影响部件质量。
之所以这样，是因为本发明采用了优化了的参数和工艺，避免了因碳浓度增高导致氮化物氮化物分解及脱氮从而使原子氮变成分子氮而形成孔洞和黑色组织的缺陷，提供一种表面性能更好的易切削钢部件及其制造方法。
上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种易切削钢部件，其特征在于，包括：含有一种以上的易切削元素的基体、含有碳元素和氮元素的强化层；上述基体与上述强化层紧密相接，上述强化层形成于上述基体的表层，上述强化层为致密结构；上述强化层的厚度为0.1mm-0.8mm。
2.根据权利要求1所述的一种易切削钢部件，其特征在于，上述易切削元素包括: 硫、磷、铅。
3.根据权利要求1所述的一种易切削钢部件，其特征在于，上述强化层的HR15N硬度值范围为88-92。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的易切削钢部件，其特征在于，上述强化层中氮元素以原子的形式存在，上述强化层含有：细针状的回火马氏体、残余奥氏体。
5.一种易切削钢部件的制造方法，其特征在于，以国标GB8731-88标准中的易切削钢作为胚材，方法包括如下的步骤：
a表面清洁：对待处理的易切削钢胚材的表面进行清洁处理；
b升温、保温：加热升温至摄氏温度800-880度保温10-60分钟；
c强渗阶段：在摄氏温度800-880度、碳势为1.0%-1.4%的条件下渗碳30-200分钟，该阶段碳势范围所允许的误差为±0.05%；
d扩散阶段：在摄氏温度800-880度、碳势为0.8%-1%、氮气环境的条件下渗碳20-100分钟，该阶段碳势范围所允许的误差为±0.05%，使用氨气作为氮源、氨气充入量为1.33-2.34升/立方米/小时；
e淬火：在冷却油中冷却10至20分钟；
f回火：在加热炉中进行回火处理。
6.根据权利要求5所述的一种易切削钢部件的制造方法，其特征在于，在步骤b、c、d中均采用带有循环风扇的箱式多用渗碳炉，在步骤c、d中，渗碳稀释气体通过使用甲醇滴入炉内裂解实现，富化气采用甲烷。
7.根据权利要求5所述的一种易切削钢部件的制造方法，其特征在于，上述冷却油为光亮淬火油。
8.根据权利要求5所述的一种易切削钢部件的制造方法，其特征在于，上述冷却油的油温范围为：摄氏温度60度至120度。
9.根据权利要求5所述的一种易切削钢部件的制造方法，其特征在于，上述步骤f中，回火温度范围为：摄氏温度160度至240度，回火的保温时间为100分钟至120分钟。
10.根据权利要求5至9任意一项所述的一种易切削钢部件的制造方法，其特征在于，上述胚材为国标GB8731-88中牌号为Y15Pb或Y15所代表的钢材。
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