CN103526213A - 提高16MnCr5零件使用寿命的方法 - Google Patents

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本发明涉及一种提高16MnCr5零件使用寿命的方法，它包括以下工艺步骤：步骤一：退火热处理；步骤二：氮碳共渗。本发明将16MnCr5零件采用退火热处理，使得其金相组织为：块状铁素体+粒状珠光体+珠光体，在后续的氮碳共渗过程中氮、碳原子是沿晶渗入扩散，由于退火热处理后16MnCr5零件的金相组织中的粒状珠光体细化了基体晶粒，能够有效加快氮化扩散速度，提高氮化深度，从而提高硬化层深度。在氮碳共渗时第一阶段氮化与第二阶段氮化温度不变或者变化不大，通过变化氨分解率来控制硬化层深度以及含氮化合层的深度。从而使得在低成本的工艺方法下提高了16MnCr5零件的使用寿命。

Description

提高16MnCr5零件使用寿命的方法
技术领域
本发明涉及一种提高16MnCr5零件使用寿命的方法。
背景技术
16MnCr5是从德国引进的钢种，相当于我国15CrMn钢，但力学性能要优于15CrMn钢，有较好的淬透性和切削性，对较大截面零件，热处理后能得到较高表面硬度和耐磨性，低温冲击韧度也较高。16MnCr5钢经渗碳淬火后使用，可以用于制造液压阀以及配流盘等零部件。然而对于如今日新月异的科技发展，传统的16MnCr5零件使用寿命虽然较普通材料来说较高，但是表面耐磨性以及脆性在特殊场合以及恶劣工矿下还存在不足，导致16MnCr5零件使用寿命还有待提高。
为了提高16MnCr5零件的使用寿命，需要对16MnCr5零件表面进行氮碳共渗，加强16MnCr5零件表面硬化层深度以提高其耐磨性，然而传统的16MnCr5零件的氮碳共渗硬化层的深度一般为0.25~0.3mm，表面硬度达到550HV5左右，表面含氮化合层的深度远大于25μm。而为了提高16MnCr5零件的使用寿命，需要同时控制16MnCr5零件氮碳共渗后的耐磨性以及脆性要求，为了达到耐磨性以及脆性要求，需要控制氮碳共渗硬化层的深度大于0.4mm，表面含氮化合层（白亮层）的深度低于25μm。
传统的做法是在氮碳共渗前对零件进行调质和正火处理（正火处理后16MnCr5零件的金相组织如图1所示），通过调质和正火处理之后的氮碳共渗处理的表面硬化层深度无法满足大于0.4mm的要求。即使通过提高氮碳共渗时氮化的温度，增加氮化的时间，使得表面硬化层的深度合格了，但是表面含氮化合层的深度会远大于25μm，增加了表面脆性，偏离了设计的初衷，而且采用调质成本高，增加氮化时间也无形的提高了生产成本。因此需要寻求一种低成本的提高16MnCr5零件使用寿命的方法尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种低成本的提高16MnCr5零件使用寿命的方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种提高16MnCr5零件使用寿命的方法，它包括以下工艺步骤：
步骤一：退火热处理
步骤二：氮碳共渗
对步骤一退火热处理完成之后的16MnCr5零件进行氮碳共渗，氮碳共渗的工艺步骤如下：
1、将16MnCr5零件上料至氮碳共渗炉，进行预氧化；
2、氮碳共渗炉进行升温至T22=545~555℃；
3、氮碳共渗炉温度保持在T23=545~555℃，进行第一阶段氮化，控制氨分解率为30~40%，CO2流量为130~150L/h，第一阶段氮化时间为t23=230~250min；
4、氮碳共渗炉温度保持在T24=545~555℃，进行第二阶段氮化，控制氨分解率为50~60%，CO2流量为130~150L/h，第二阶段氮化时间为t24=350~370min；
5、氮碳共渗炉停止加热，氨气流量减少至0.5~0.8m3/h，停止通入CO2，启动风机冷却至180℃以下，16MnCr5零件出炉。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明将16MnCr5零件采用退火热处理，使得其金相组织为：块状铁素体+粒状珠光体+珠光体，在后续的氮碳共渗过程中氮、碳原子是沿晶渗入扩散，由于退火热处理后16MnCr5零件的金相组织中的粒状珠光体细化了基体晶粒，能够有效加快氮化扩散速度，提高氮化深度，从而提高硬化层深度。在氮碳共渗时第一阶段氮化与第二阶段氮化温度不变或者变化不大，通过变化氨分解率来控制硬化层深度以及含氮化合层的深度。从而使得最终的16MnCr5零件表面硬化层深度大于0.4mm，表面硬度达到680~720HV5，表面含氮化合层小于25μm，在低成本的工艺方法下提高了16MnCr5零件的使用寿命。且由于16MnCr5零件表面硬化层深度较传统工艺提高较大，使得在后续的机加工中可增加磨削余量，更好保持产品精度，以增加了机加工的磨量，降低机加工的报废率，节约成本。
附图说明
图1为传统16MnCr5零件正火处理后的金相组织结构示意图。
图2为本发明提高16MnCr5零件使用寿命的方法的16MnCr5零件退火处理后的金相组织结构示意图。
图3为本发明提高16MnCr5零件使用寿命的方法的退火炉内温度时间曲线图。
图4为本发明提高16MnCr5零件使用寿命的方法的氮碳共渗炉内温度时间曲线图。
具体实施方式
参见图2~图4，本发明涉及的一种提高16MnCr5零件使用寿命的方法，它包括以下工艺步骤：
步骤一：退火热处理
对16MnCr5零件进行退火热处理，退火热处理的工艺步骤如下：
1、退火炉升温至T11=700~720℃，升温时间为t11=120~150min；
2、退火炉在T12=700~720℃的温度范围保温，保温时间为t12=240~300min；
3、退火炉随炉降温至T13=500~520℃，降温时间为t13=150~180min；
退火热处理后16MnCr5零件的金相组织如图2所示，此时16MnCr5零件材料的金相组织为：块状铁素体+粒状珠光体+珠光体，对于传统的正火热处理的金相组织为：块状铁素体+珠光体。
氮碳共渗过程中氮、碳原子是沿晶渗入扩散，退火热处理后16MnCr5零件的金相组织中的粒状珠光体细化了基体晶粒，能够有效加快氮化扩散速度，而正火和调质均不能细化基体晶粒，不能提高氮化速度。
步骤二：氮碳共渗
对步骤一退火热处理完成之后的16MnCr5零件进行氮碳共渗，氮碳共渗的工艺步骤如下：
1、将16MnCr5零件上料至氮碳共渗炉，氮碳共渗炉温度控制在T21=360~370℃，在该温度下16MnCr5零件进行预氧化，预氧化时间为t21=25~35min；
2、氮碳共渗炉进行升温至T22=545~555℃，升温时间t22=20~30min；
3、氮碳共渗炉温度保持在T23=545~555℃，进行第一阶段氮化，氨气流量为3~3.5m3/h，控制氨分解率为30~40%，CO2流量为130~150L/h，第一阶段氮化时间为t23=230~250min；
4、氮碳共渗炉温度保持在T24=545~555℃，进行第二阶段氮化，氨气流量为2~2.5m3/h，控制氨分解率为50~60%，CO2流量为130~150L/h，第二阶段氮化时间为t24=350~370min；
5、氮碳共渗炉停止加热，氨气流量减少至0.5~0.8 m3/h，停止通入CO2，启动风机快冷至180℃以下，16MnCr5零件出炉。
第一阶段氮化较第二阶段氮化的氨分解率低，也就是在第一阶段氮化壁第二阶段氮化的活性氮成分高，在第一阶段氮化时活性氮进行强渗，在硬化层深度得到提高的同时使得含氮化合层深度提高也较快，第二阶段氮化时相对来说活性氮成分较少，含氮化合层深度提高较慢，在硬化层深度得到提高的同时含氮化合层深度提高较慢，最终使得处理后的16MnCr5零件表面含氮化合层得到控制，从而在耐磨性得到保证的同时控制脆性。
实施例1、
采用上述的工艺步骤对16MnCr5零件进行处理，各个步骤的工艺参数如下：
步骤一：退火热处理
1、T11=700℃， t11=120min；
2、T12=700℃，t12=240min；
3、T13=500℃， t13=150min；
步骤二：氮碳共渗
1、T21=360℃， t21=25min；
2、T22=545℃， t22=20min；
3、T23=545℃，氨气流量为3.5m3/h，控制氨分解率为30%，CO2流量为130L/h， t23=230min；
4、T24=545℃，氨气流量为2.5m3/h，控制氨分解率为50，CO2流量为130L/h， t24=350min；
5、氨气流量为0.8m3/h。 
实施例1处理后的16MnCr5零件表面硬化层深度为0.43mm，表面硬度为680HV5，含氮化合层深度为22μm。
实施例2、
采用上述的工艺步骤对16MnCr5零件进行处理，各个步骤的工艺参数如下：
步骤一：退火热处理
1、T11=710℃， t11=130min；
2、T12=710℃，t12=260min；
3、T13=510℃， t13=160min；
步骤二：氮碳共渗
1、T21=365℃， t21=30min；
2、T22=550℃， t22=25min；
3、T23=550℃，氨气流量为3.2m3/h，控制氨分解率为35%，CO2流量为140L/h， t23=240min；
4、T24=550℃，氨气流量为3.3m3/h，控制氨分解率为55%，CO2流量为140L/h， t24=360min；
5、氨气流量为3.6m3/h。 
实施例2处理后的16MnCr5零件表面硬化层深度为0.45mm，表面硬度为690HV5，含氮化合层深度为20μm。
实施例3、
采用上述的工艺步骤对16MnCr5零件进行处理，各个步骤的工艺参数如下：
步骤一：退火热处理
1、T11=720℃， t11=150min；
2、T12=720℃，t12=300min；
3、T13=520℃， t13=180min；
步骤二：氮碳共渗
1、T21=370℃， t21=35min；
2、T22=555℃， t22=30min；
3、T23=555℃，氨气流量为3m3/h，控制氨分解率为40%，CO2流量为150L/h， t23=250min；
4、T24=555℃，氨气流量为2m3/h，控制氨分解率为60%，CO2流量为150L/h， t24=370min；
5、氨气流量为0.5m3/h。 
实施例3处理后的16MnCr5零件表面硬化层深度为0.48mm，表面硬度为720HV5，含氮化合层深度为17μm。
实施例4、
采用上述的工艺步骤对16MnCr5零件进行处理，各个步骤的工艺参数如下：
步骤一：退火热处理
1、T11=705℃， t11=130min；
2、T12=705℃，t12=250min；
3、T13=505℃， t13=155min；
步骤二：氮碳共渗
1、T21=362℃， t21=26min；
2、T22=548℃， t22=22min；
3、T23=548℃，氨气流量为3.4m3/h，控制氨分解率为32%，CO2流量为135L/h， t23=235min；
4、T24=555℃，氨气流量为2.4m3/h，控制氨分解率为53%，CO2流量为135L/h， t24=355min；
5、氨气流量为0.7m3/h。 
实施例4处理后的16MnCr5零件表面硬化层深度为0.46mm，表面硬度为690HV5，含氮化合层深度为21μm。
实施例5、
采用上述的工艺步骤对16MnCr5零件进行处理，各个步骤的工艺参数如下：
步骤一：退火热处理
1、T11=710℃， t11=130min；
2、T12=710℃，t12=260min；
3、T13=510℃， t13=160min；
步骤二：氮碳共渗
1、T21=365℃， t21=30min；
2、T22=550℃， t22=25min；
3、T23=550℃，氨气流量为3m3/h，控制氨分解率为40%，CO2流量为150L/h， t23=250min；
4、T24=555℃，氨气流量为2m3/h，控制氨分解率为60%，CO2流量为150L/h， t24=370min；
5、氨气流量为0.7m3/h。 
实施例5处理后的16MnCr5零件表面硬化层深度为0.48mm，表面硬度为720HV5，含氮化合层深度为17μm。
实施例6、
采用上述的工艺步骤对16MnCr5零件进行处理，各个步骤的工艺参数如下：
步骤一：退火热处理
1、T11=715℃， t11=140min；
2、T12=715℃，t12=280min；
3、T13=515℃， t13=175min；
步骤二：氮碳共渗
1、T21=368℃， t21=34min；
2、T22=548℃， t22=28min；
3、T23=548℃，氨气流量为3.1m3/h，控制氨分解率为38%，CO2流量为145L/h， t23=245min；
4、T24=555℃，氨气流量为2.2m3/h，控制氨分解率为58%，CO2流量为145L/h， t24=365min；
5、氨气流量为0.6m3/h。 
实施例6处理后的16MnCr5零件表面硬化层深度为0.46mm，表面硬度为715HV5，含氮化合层深度为18μm。

Claims (1)

1.一种提高16MnCr5零件使用寿命的方法，其特征在于它包括以下工艺步骤：
步骤一：退火热处理
步骤二：氮碳共渗
对步骤一退火热处理完成之后的16MnCr5零件进行氮碳共渗，氮碳共渗的工艺步骤如下：
（1）、将16MnCr5零件上料至氮碳共渗炉，进行预氧化；
（2）、氮碳共渗炉进行升温至T22=545~555℃；
（3）、氮碳共渗炉温度保持在T23=545~555℃，进行第一阶段氮化，控制氨分解率为30~40%，CO2流量为130~150L/h，第一阶段氮化时间为t23=230~250min；
（4）、氮碳共渗炉温度保持在T24=545~555℃，进行第二阶段氮化，控制氨分解率为50~60%，CO2流量为130~150L/h，第二阶段氮化时间为t24=350~370min；
（5）、氮碳共渗炉停止加热，氨气流量减少至0.5~0.8m3/h，停止通入CO2，启动风机冷却至180℃以下，16MnCr5零件出炉。
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