CN105132857A - 一种低碳钢零件及其复合热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低碳钢零件及其复合热处理方法，所述方法为先对低碳钢零件进行碳氮共渗，然后进行机械加工整形，最后进行渗氮处理。用本发明的方法处理后的低碳钢，表面硬度能够达到要求，平面度较小，即变形量小，能够满足现在对变形量的要求。

Description

一种低碳钢零件及其复合热处理方法

技术领域

本发明属于低碳钢领域，尤其涉及一种低碳钢零件及其复合热处理方法。

背景技术

对于含碳量≤0.12%的冷轧钢薄壁零件，其成型方式一般为冲压或拉深成型，形状较为复杂，对于一些用于机械机构或设备上的此类零件还要求有精准的尺寸以便最终装配，以及良好的表面硬度以提高其整体强度及耐磨性来满足工作需要。对于这些低碳钢薄壁零件一般通过渗碳或碳氮共渗然后淬火的方法提高其表面硬度，但是高温淬火引起的奥氏体向马氏体转变的相变应力以及过冷产生的热应力都会使零件严重变形，无法满足变形量要求。而且这种薄壁件一旦渗碳或碳氮共渗淬火后由于硬化层是双面产生的整体屈服强度很高用机械整形方法都无法校正如果强行校正又会因为施加力太大零件本身太脆发生断裂。还有的办法是用渗氮或氮碳共渗，但这种零件一般是经过冲压或拉深成型的，零件内部加工应力大而氮碳共渗温度一般在540～580℃之间，在这样的温度下薄壁零件由于应力释放变形就会超过技术要求，但不管是渗氮还是氮碳共渗，由于零件本身含碳量≤0.12%，组织以铁素体为主，氮的渗入无法产生弥散强化的效果，而又由于碳的含量很少，珠光体一般不会超过总面积的15%而无法有效产生固溶强化效果，经过渗氮或碳氮共渗后表面硬度≤500HV，扩散层硬度≤250HV，不能满足使用需要。

公开号为CN101187027A的专利公开了一种新型复合热处理方法，并具体公开了先将工件加热至奥氏体状态进行渗氮或碳氮共渗，获得预定的渗层，然后在同炉内将温度降低到奥氏体渗氮温度560-640℃进行渗氮或碳氮共渗处理，使工件表面层奥氏体的氮浓度提高到奥氏体渗氮层的水平，再进行淬火处理并在200-300℃温度范围内的时效或者直接进行200-300℃温度区间中的等温淬火，使高氮奥氏体发生分解，得到高的表面硬度和耐磨性。

公开号为CN101994121A的专利公开了一种复合热处理方法，该方法是将工件加热至奥氏体状态进行渗碳或碳氮共渗，获得理想的渗层，然后在炉内将温度降低到奥氏体渗氮温度640-720℃进行渗氮或氮碳共渗处理，使工件表面层奥氏体的氮浓度提高到奥氏体渗氮层的水平，再进行直接800℃左右的淬火和在300℃范围内的时效处理或直接进行200-240℃温度区间中的等温淬火，使高氮奥氏体发生分解，得到金属理想的表面硬度和耐磨性。

上述两种复合热处理方法的原理基本一样，都是先渗碳或碳氮共渗然后冷下来渗氮或氮碳共渗再重新加热淬火，这样做存在最大的问题是会发生严重变形。因为对于含碳量≤0.12的低碳冷变型钢如果升温到奥氏体化温度，那么温度已经接近900℃了，而低碳钢零件本身强度低，在这么高的温度下极易变形。而在重新加热到800℃左右淬火时由于奥氏体向马氏体转变产生的相变应力以及高温下急速冷下来的热应力会使这个变形进一步加剧。如果按上述两个方法处理后的低碳钢薄壁冷成型零件由于强度硬度高，变形后基本无法校正，很显然不适合含碳量≤0.12%的冷成型零件。

发明内容

本发明为解决现有的低碳钢热处理后变形严重的技术问题，提供一种热处理后变形量小的低碳钢零件及其复合热处理方法。

本发明提供了一种低碳钢零件的复合热处理方法，所述方法为先对低碳钢零件进行碳氮共渗，然后进行机械加工整形，最后进行渗氮处理。

本发明还提供了一种由上述方法制备得到的低碳钢零件。

本发明复合热处理方法，碳氮共渗结束后不进行淬火，能有效减少变形有利于后续机械加工整形。在碳氮共渗以及氮化工艺之间增加了一道机械加工整形工序，以有效改善碳氮共渗高温加热时所产生的变形，由于形状只是轻微的变化，该工序对零件产生的应力也是极轻微的，在后续加热不造成影响。先渗碳再渗氮，利用了碳对氮化硬度的提高作用。因为先进行了渗碳为主的碳氮共渗工艺使零件表面碳浓度大幅增加，最后工序只需采用渗氮工艺而无需采用温度更高的氮碳共渗工艺就能获得比氮碳共渗更佳的硬度及微变形效果。渗氮完后无需重新加热淬火避免了淬火变形，从而达到微变形效果。本发明可以让含碳量≤0.12%的冷轧钢零件经过处理后比碳氮共渗、氮碳共渗工艺变形更小，硬度和耐磨性远高于氮碳共渗及渗氮工艺。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种低碳钢零件的复合热处理方法，，所述方法为先对低碳钢零件进行碳氮共渗，然后进行机械加工整形，最后进行渗氮处理。

本发明中，所述低碳钢是指含碳量≤0.12%的含碳钢材。

根据本发明所提供的低碳钢零件的复合热处理方法，优选地，所述碳氮共渗的方法是在840～870℃情况下，向放置有低碳钢零件的设置中通入丙烷和氨气的混合气体；以混合气体的总体积为基准，所述氨气的体积含量为3～5%。

根据本发明所提供的低碳钢零件的复合热处理方法，优选地，所述碳氮共渗的碳势为1±0.08%，时间为60～150min。

根据本发明所提供的低碳钢零件的复合热处理方法，优选地，在进行碳氮共渗之前，在甲醇环境中对低碳钢零件进行加热到840～870℃后保持10～20分钟。

根据本发明所提供的低碳钢零件的复合热处理方法，优选地，所述渗氮处理的方法为将所述低碳钢在氨气气氛下，以≤80℃/小时的升温速度升至300±10℃℃并保持1～1.5个小时，然后再以≤40℃/小时的升温速度升至500±5℃480～520℃，保持8～12个小时。

根据本发明所提供的低碳钢零件的复合热处理方法，优选地，所述渗氮处理中氨气的分解率为17～22%。

根据本发明所提供的低碳钢零件的复合热处理方法，优选地，在所述渗氮处理之后还包括冷却步骤，所述冷却的条件为：将所述低碳钢零件随炉以≤50℃/h的冷却速度冷却至100℃以下出炉空冷。

根据本发明所提供的低碳钢零件的复合热处理方法，优选地，所述方法包括以下步骤：

S1、准备含碳量低于0.12%的冷轧钢板，经过冲裁、冲压或拉深等工序获得需要的零件；

S2、把所述零件放入带有冷却室的多用炉中进行加热，整个升温过程通入甲醇及纯氮气保护，当炉内温度升至840～860℃后保持10～20分钟；

S3、通入丙烷和氨气进行碳氮共渗，碳势设定为1±0.05%，时间60～150min；

S4、渗氮共渗之后，将所述零件从加热室转移到冷却室进行空冷，并保持通入纯氮气保持正压，当零件冷至100℃以下后，将所述零件转到空气中冷至室温；

S5、对所述零件进行整形，使尺寸符合技术要求；

S6、用碳氢清洗剂在真空清洗设备上对所述零件进行清洗；

S7、把所述零件在氮化炉炉温低于100℃时入炉，抽掉炉内空气并通入氨气，然后以≤80℃/小时的升温速度升至300℃并保持1～1.5个小时，再以≤40℃/小时的升温速度升至500±5℃，保持8～12个小时，整个氮化过程中氨气分解率控制在17～22%；

S8、氮化结束后将所述零件随炉以≤50℃/h的冷却速度冷却至100℃以下出炉空冷。

本发明所提供的低碳钢零件的复合热处理方法，先进行碳氮共渗主要是使表面获得近似于高碳钢的组织，随后进行空冷能消除零件的加工应力及减少内应力，经过这样处理后零件表面硬度是比较软的，不会超过200HB，而且厚度只占整个截面的几分之一，心部硬度也就是100HB左右塑性很理想，因此接着可以把冷至室温的零件用液压或机械设备或人工校正定型使零件尺寸达到技术要求。在后续渗氮过程中，由于采用了缓慢升温缓慢降温，并且采用一段渗氮法避免了高温渗氮可以使零件实现微变形效果。

本发明还提供了一种由本发明所述的方法制备得到低碳钢零件。

下面通过具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

实施例1

材料为DC01的某型号离合器减震盘，板料厚度2mm，冲压成型，外径为196mm，内径有180mm，要求表面硬度≥550HV0.2，平面度≤0.15mm。

（1）准备材料为DC01的冷轧钢板，经过冲裁、冲压工序获得需要的零件；

（2）把零件放入带有冷却室的多用炉进行加热，整个升温过程通入甲醇及纯氮气保护，保持炉内正压防止零件表面氧化，当炉内温度升至850℃后保持10分钟；

（3）通入丙烷和占气体体积总量4%的氨气进行碳氮共渗，碳势设定为1%，工艺时间120min；

（4）渗氮共渗之后，将零件从加热室转移到冷却室进行空冷，并保持通入纯氮气，当零件冷至80℃后转到空气中冷至室温；

（5）利用机械设备对零件进行整形，使尺寸符合技术要求范围；

（6）用碳氢清洗剂在真空清洗设备上对产品进行清洗；

（7）把零件在氮化炉炉温40℃时入炉，抽掉炉内空气并通入氨气，以50℃/小时的升温速度升至300℃并保持1个小时，再以30℃/小时的升温速度升至500±5℃,保持10个小时，整个氮化过程中氨气分解率控制在20%；

（8）氮化结束后将零件随炉以50℃/h冷却速度冷却至80℃出炉自然冷却即得到处理好的零件A1。

实施例2

某款双离合器内支架，材料为DC04深冲钢，壁厚2mm，拉深成型。外圆直径为161mm，内孔直径为59mm，平面度要求≤0.12mm，外圆相对内孔同轴度要求≤0.1mm，表面硬度要求≥500HV0.2。

（1）准备材料为DC04的冷轧钢板，经过冲裁、拉深工序获得我们需要的零件；

（2）把零件放入带有冷却室的多用炉进行加热，整个升温过程通入甲醇及纯氮气保护，保持炉内正压防止零件表面氧化，当炉内温度升至860℃后保持10分钟；

（3）通入丙烷和占气体体积总量4%的氨气进行碳氮共渗，碳势设定为1%，工艺时间100min；

（4）渗氮共渗之后，从加热室转移到冷却室进行空冷，并保持通入纯氮气，当零件冷至80℃后转到空气中冷至室温；

（5）利用机械设备对零件进行整形，使尺寸符合技术要求范围；

（6）用碳氢清洗剂在真空清洗设备上对产品进行清洗；

（7）把零件在氮化炉炉温50℃时入炉，抽掉炉内空气并通入氨气，以30℃/小时的升温速度升至300℃并保持1.5个小时，再以25℃/小时的升温速度升至500±5℃,保持12个小时，整个氮化过程中氨气分解率控制在22%；

（8）氮化结束后随炉以40℃/h冷却速度缓慢冷却至80℃出炉自然冷却即得到处理好的零件A2。

实施例3

材料为SPCC的自动贩卖机锁盖盘，壁厚3mm，冲压成型，表面硬度要求≥600HV0.2，外表面翘曲度≤0.08mm。

（1）准备材料为SPCC的冷轧钢板，经过冲裁、冲压工序获得需要的零件；

（2）把零件放入带有冷却室的多用炉进行加热，整个升温过程通入甲醇及纯氮气保护，保持炉内正压防止零件表面氧化，当炉内温度升至870℃后保持20分钟；

（3）通入丙烷和占气体体积总量4%的氨气进行碳氮共渗，碳势设定为1.05%，工艺时间60min；

（4）渗氮共渗之后，将零件从加热室转移到冷却室进行空冷，并保持通入纯氮气，当零件冷至50℃后转到空气中冷至室温；

（5）利用机械设备对零件进行整形，使尺寸符合技术要求范围；

（6）用碳氢清洗剂在真空清洗设备上对产品进行清洗；

（7）把零件在氮化炉炉温80℃时入炉，抽掉炉内空气并通入氨气，以80℃/小时的升温速度升至300℃并保持1个小时，再以40℃/小时的升温速度升至500±5℃，保持8个小时，整个氮化过程中氨气分解率控制在17%；

（8）氮化结束后将零件随炉以30℃/h冷却速度冷却至60℃出炉自然冷却即得到处理好的零件A3。

实施例4

某款自动变速器压板，材料为10号钢，壁厚2mm，外径有178mm。平面度要求≤0.12mm，表面硬度要求≥500HV0.2。

（1）准备材料为10号钢DC04的冷轧钢板，经过冲裁、拉深工序获得我们需要的零件；

（2）把零件放入带有冷却室的多用炉进行加热，整个升温过程通入甲醇及纯氮气保护，保持炉内正压防止零件表面氧化，当炉内温度升至850℃后保持15分钟；

（3）通入丙烷和占气体体积总量4%的氨气进行碳氮共渗，碳势设定为9.95%，工艺时间150min；

（4）渗氮共渗之后，从加热室转移到冷却室进行空冷，并保持通入纯氮气，当零件冷至60℃后转到空气中冷至室温；

（5）利用机械设备对零件进行整形，使尺寸符合技术要求范围；

（6）用碳氢清洗剂在真空清洗设备上对产品进行清洗；

（7）把零件在氮化炉炉温60℃时入炉，抽掉炉内空气并通入氨气，以40℃/小时的升温速度升至300℃并保持1.5个小时，再以20℃/小时的升温速度升至500±5℃，保持,10个小时，整个氮化过程中氨气分解率控制在22%；

（8）氮化结束后随炉以10℃/h冷却速度缓慢冷却至80℃出炉自然冷却即得到处理好的零件A4。

对比例1

材料为DC01的某型号离合器减震盘，板料厚度2mm，冲压成型，外径为196mm，内径有180mm，要求表面硬度≥550HV0.2，平面度≤0.015mm。

采用CN101187027A中的方法制备上述离合器减震盘，记为CA1。

对比例2

某款双离合器内支架，材料为DC04深冲钢，壁厚2mm，拉深成型。外圆直径为161mm，内孔直径为59mm，圆度要求≤0.08mm，外圆相对内孔同轴度要求≤0.1mm，表面硬度要求≥500HV0.2。

采用CN101994121A中的方法制备上述双离合器内支架，记为CA2。

性能测试

1、表面硬度

把工件取样镶嵌后用砂纸进行短时间磨光然后用绒布抛光再用显微维氏硬度计对表面硬度进行测试。

2、平整度

平整度就是把产品要求平面度的面放在一个测试平台上（该平台为一个平面度≤0.01mm的面），用不同厚度的塞规对产品和测试平台各个间隙进行试塞以验证翘曲的高度通过这样的方式来进行测试平面度。圆度用内径千分尺进行测试。

表1

。

从表1中可以看出，用本发明的方法处理后的低碳钢，表面硬度能够达到要求，平面度较小，即变形量小，能够满足现在对变形量的要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低碳钢零件的复合热处理方法，其特征在于，所述方法为先对低碳钢零件进行碳氮共渗，然后进行机械加工整形，最后进行渗氮处理。

2.根据权利要求1所述的低碳钢零件的复合热处理方法，其特征在于，所述碳氮共渗的方法是在840～870℃情况下，向放置有低碳钢零件的设置中通入丙烷和氨气的混合气体；以混合气体的总体积为基准，所述氨气的体积含量为3～5%。

3.根据权利要求1所述的低碳钢零件的复合热处理方法，其特征在于，所述碳氮共渗的碳势为1±0.08%，时间为60～150min。

4.根据权利要求1所述的低碳钢零件的复合热处理方法，其特征在于，在进行碳氮共渗之前，在甲醇环境中对低碳钢零件进行加热到840～870℃后保持10～20分钟。

5.根据权利要求1所述的低碳钢零件的复合热处理方法，其特征在于，所述渗氮处理的方法为将所述低碳钢在氨气气氛下，以≤80℃/小时的升温速度升至300±10℃并保持1～1.5个小时，然后再以≤40℃/小时的升温速度升至480～520℃，保持8～12个小时。

6.根据权利要求1所述的低碳钢零件的复合热处理方法，其特征在于，所述渗氮处理中氨气的分解率为17～22%。

7.根据权利要求1所述的低碳钢零件的复合热处理方法，其特征在于，在所述渗氮处理之后还包括冷却步骤，所述冷却的条件为：将所述低碳钢零件随炉以≤50℃/h的冷却速度冷却至100℃以下出炉空冷。

8.根据权利要求1所述的低碳钢零件的复合热处理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、准备含碳量低于0.12%的冷轧钢板，经过冲裁、冲压或拉深等工序获得需要的零件；

S2、把所述零件放入带有冷却室的多用炉中进行加热，整个升温过程通入甲醇及纯氮气保护，当炉内温度升至840～860℃后保持10～20分钟；

S3、通入丙烷和氨气进行碳氮共渗，碳势设定为1±0.05%，时间60～150min；

S4、渗氮共渗之后，将所述零件从加热室转移到冷却室进行空冷，并保持通入纯氮气保持正压，当零件冷至100℃以下后，将所述零件转到空气中冷至室温；

S5、对所述零件进行整形，使尺寸符合技术要求；

S6、用碳氢清洗剂在真空清洗设备上对所述零件进行清洗；

S7、把所述零件在氮化炉炉温低于100℃时入炉，抽掉炉内空气并通入氨气，然后以≤80℃/小时的升温速度升至300℃并保持1～1.5个小时，再以≤40℃/小时的升温速度升至500±5℃，保持8～12个小时，整个氮化过程中氨气分解率控制在17～22%；

S8、氮化结束后将所述零件随炉以≤50℃/h的冷却速度冷却至100℃以下出炉空冷。

9.一种由权利要求1-8任意一项所述的方法制备得到低碳钢零件。