CN105331779A - 一种减少1Cr13钢制零件氮化起泡的工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于热处理领域，具体为一种减少1Cr13钢制零件氮化起泡的工艺方法。在不失材料性能的前提下，选择材料的低温淬火技术，待加热炉升温至910℃～950℃后，将装有零件的夹具放入炉内，加热炉温度回升至910℃～950℃时，保温90min～120min出炉浸入油槽冷却。从根本上找到了材料起泡的原因，解决了该问题。膜盒盖零件经过此种工序加工，其中渗氮工序与预备热处理工序为热工艺，其余工序为冷工艺不涉及零件起泡问题。经研究材料晶粒度控制在一定等级以上，渗氮后没有产生起泡现象。

Description

一种减少1Cr13钢制零件氮化起泡的工艺方法
技术领域
本发明属于热处理领域，具体为一种减少1Cr13钢制零件氮化起泡的工艺方法。
背景技术
发动机膜盒盖与壳体盖零件配合，在发动机中主要用于放气，零件图见图1。为了增加耐磨性，在长杆的内孔进行渗氮处理，该内孔为盲孔，设计图要求渗氮层深度0.10mm～0.23mm，表面硬度HR15N≥88，工艺保证渗氮层深度0.12mm～0.23mm，磨加工余量0mm～0.015mm。
因发动机膜盒盖内孔尺寸小，为φ7mm，且采用内孔定位，所以氮化前已将内孔加工到尺寸，氮化后仅研磨去除0.005mm余量，所以根据该零件特点选择气体渗氮工艺方法。膜盒盖材料为1Cr13马氏体-铁素体型不锈钢，该材料在航空工业中应用广泛，与一般结构钢相同，都是通过淬火+回火达到强化的。由于该钢调质处理后的马氏体能完全分解成回火索氏体组织，因此可以获得比较好的强度和韧性配合。该材料经氮化处理后还能形成稳定性高，弥散度大的氮化物，显著提高了工作表面硬度、耐磨性、疲劳强度和热稳定性，所以常被用作氮化零件。但是渗氮处理后零件渗氮表面存在起泡现象，有这种缺陷的零件经磨加工后起泡处破裂，造成内孔表面存在剥落掉块情况，形成严重的麻点，此现象一直存在，不可避免，导致大量的零件报废，所以避免1Cr13材料制马氏体不锈钢膜盒盖内孔渗氮起泡成为一项技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种减少1Cr13钢制零件氮化起泡的工艺方法，可以有效地减轻该不锈钢制零件氮化起泡现象。
本发明的技术方案是：
一种减少1Cr13钢制零件氮化起泡的工艺方法，预备热处理工序工艺步骤为：首先对来件进行检查有无裂纹、多余物，检查盒格后将毛坯零件均匀地平铺在淬火夹具表面；待加热炉升温至910℃～950℃后，将装有零件的夹具放入炉内，加热炉温度回升至910℃～950℃时，保温90min～120min出炉浸入油槽冷却，待降到室温后出油槽，放入清洗机中洗净零件表面油污；接下来将零件装入加热炉中回火，在580～620℃，保温120min～150min，水冷，冷至室温；最后对零件表面进行吹砂，清除表面氧化皮。
所述的减少1Cr13钢制零件氮化起泡的工艺方法，回火后切取金相试样检查晶粒度及组织，基体组织为回火索氏体，晶粒度为8～9级，基体硬度为25.0～28.2HRC。
所述的减少1Cr13钢制零件氮化起泡的工艺方法，采用气体氮化法渗氮后，渗氮后检查零件表面无明显起泡现象，渗氮层硬度大于90HR15N，渗氮层深度0.225mm～0.25mm。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明通过开展调质热处理工艺、渗氮热处理工艺、表面粗糙度等因素对1Cr13棒材制零件的晶粒度、渗氮组织、性能等影响的试验研究。通过工艺试验，最终找出1Cr13马氏体-铁素体不锈钢膜盒盖氮化起泡的原因。
2、本发明工艺简单，易于操作，通过改变预备热处理制度，即1Cr13不锈钢制膜盒盖在预备热处理工序中采用低温淬火技术，可大大减少渗氮起泡现象，在研磨后麻坑也随之消失，提高了零件制造合格率。
3、本发明采用特定的预备热处理工艺参数(包括淬火温度、冷却方式、回火温度、热处理次数、晶粒度控制等级)，能够显著地减少1Cr13不锈钢渗氮起泡现象，特别适用于长期工作在高磨损环境下的马氏体不锈钢氮化类零件。该方法可应用于航空发动机膜盒盖等零件的生产，实现工程化应用，也可推广到1Cr13不锈钢材料制零件渗氮前处理，具有广泛的应用价值。
附图说明
图1(a)-图1(b)为发动机膜盒盖不合格零件的外貌图。其中，图1(a)为自上而下拍摄；图1(b)为自下而上拍摄。
图2为实施例1～3渗氮后的试样心部金相组织图。其中，(a)为实施例1；(b)为实施例2；(c)为实施例3。
图3为实施例1～3渗氮后的试样渗层截面形貌图。其中，(a)为实施例1；(b)为实施例2；(c)为实施例3。
图4为实施例1～3渗氮后的试样表面形貌图。其中，(a)为实施例1；(b)为实施例2；(c)为实施例3。
具体实施方式
在具体实施过程中，发动机膜盒盖为增加耐磨性，在内孔进行渗氮处理，该零件材料为1Cr13马氏体-铁素体型不锈钢，渗氮处理后零件渗氮表面存在起泡现象，磨加工后起泡处破裂，造成内孔渗氮层表面存在剥落掉块情况，并产生不同大小、深度的麻坑，此现象一直存在，不可避免。因该起泡现象与多种因素影响有关，经多组试验后，找到了可以减轻1Cr13马氏体不锈钢渗氮起泡现象的工艺方法。
本发明方法的关键点在于打破常规理念，即氮化后起泡不是由氮化工艺引起，而是由毛坯件预备热处理造成。通常1Cr13不锈钢淬火温度为1000℃～1030℃，选择在该温度内范围淬火，主要是考虑到在此温度下合金元素容易扩散，淬火后易形成马氏体。本发明方法是在不失材料性能的前提下，创造性地选择材料的低温淬火技术，从根本上找到了材料起泡的原因，解决了该问题。膜盒盖零件经过此种工序加工，其中渗氮工序与预备热处理工序为热工艺，其余工序为冷工艺不涉及零件起泡问题。经研究材料晶粒度控制在一定等级以上，渗氮后没有产生起泡现象，所以预备热处理成为技术关键。
本发明中所述1Cr13马氏体-铁素体不锈钢型膜盒盖，其化学成分和重量百分比为：0.08～0.15％C、12.00～14.00％Cr、≤0.60％Mn、≤0.60％Si、≤0.60％Ni、≤0.03％S、≤0.03％P、余量为Fe。用金相显微镜及洛氏硬度计等设备进行组织性能分析测试。
下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细说明。
实施例1
本实施例中，减少1Cr13钢制零件氮化起泡的工艺方法，按照以下步骤进行：
(1)膜盒盖按以下加工工序加工：
棒料→车外圆→打光凸台→洗涤→热处理前检验→预备热处理→车头部→车尾杆→打磨锐边→镗孔和切槽→研磨孔→洗涤→渗氮前检验→渗氮→研磨孔→洗涤→磨外圆→磨外圆及端面→磨端面→车凹槽→车小端面→铣槽→磨外圆→磨端面→打磨锐边→车圆角→研磨端面→洗涤→最终检验。
预备热处理工艺为：
①检查：对来件进行工序检查有无裂纹、多余物等，检查合格后将毛坯零件均匀地平铺在淬火夹具表面。
②淬火：950℃，保温90min，油冷。
③除油：洗净零件表面油污。
④回火：600℃，保温120min，水冷。
⑤检验：检查晶粒度及组织，保证不锈钢晶粒度大于8级，组织为回火索氏体。
⑥吹砂：对零件表面进行吹砂，清除氧化皮。
(2)组织、性能
预备热处理后利用金相显微镜观察基体组织及晶粒度，见图2(a)。基体组织为回火索氏体，晶粒度为8～9级，基体硬度为25.0HRC。渗氮后检查零件渗氮层硬度93.3HR15N，渗层深度0.225mm～0.25mm，且表面有无起泡现象，见图3(a)和图4(a)。对热处理后的试棒进行力学性能测试，抗拉强度为830MPa，屈服强度710MPa，断后伸长率24.5％，断面收缩率71.0％，冲击功63.5J。
实施例2
本实施例中，减少1Cr13钢制零件氮化起泡的工艺方法，按照以下步骤进行：
(1)膜盒盖按以下加工工序加工：
棒料→车外圆→打光凸台→洗涤→热处理前检验→预备热处理→车头部→车尾杆→打磨锐边→镗孔和切槽→研磨孔→洗涤→渗氮前检验→渗氮→研磨孔→洗涤→磨外圆→磨外圆及端面→磨端面→车凹槽→车小端面→铣槽→磨外圆→磨端面→打磨锐边→车圆角→研磨端面→洗涤→最终检验。
预备热处理工艺为：
①检查：对来件进行工序检查有无裂纹、多余物等，检查合格后将毛坯零件均匀地平铺在淬火夹具表面。
②淬火：930℃，保温100min，油冷。
③除油：洗净零件表面油污。
④回火：620℃，保温130min，水冷。
⑤检验：检查晶粒度及组织，保证不锈钢晶粒度大于8级，组织为回火索氏体。
⑥吹砂：对零件表面进行吹砂，清除氧化皮。
(2)组织、性能
预备热处理后利用金相显微镜观察基体组织及晶粒度，见图2(b)。基体组织为回火索氏体，晶粒度为8～9级，基体硬度为26.1HRC。渗氮后检查零件渗氮层硬度93.1HR15N，渗层深度0.225mm～0.25mm，且表面没有大量的起泡现象，见图3(b)和图4(b)。对热处理后的试棒进行力学性能测试，抗拉强度为835MPa，屈服强度710MPa，断后伸长率25％，断面收缩率72.5％，冲击功69.4J。
实施例3
本实施例中，减少1Cr13钢制零件氮化起泡的工艺方法，按照以下步骤进行：
(1)膜盒盖按以下加工工序加工：
棒料→车外圆→打光凸台→洗涤→热处理前检验→预备热处理→车头部→车尾杆→打磨锐边→镗孔和切槽→研磨孔→洗涤→渗氮前检验→渗氮→研磨孔→洗涤→磨外圆→磨外圆及端面→磨端面→车凹槽→车小端面→铣槽→磨外圆→磨端面→打磨锐边→车圆角→研磨端面→洗涤→最终检验。
预备热处理工艺为：
①检查：对来件进行工序检查有无裂纹、多余物等，检查合格后将毛坯零件均匀地平铺在淬火夹具表面。
②淬火：910℃，保温120min，油冷。
③除油：洗净零件表面油污。
④回火：580℃，保温150min，水冷。
⑤检验：检查晶粒度及组织，保证不锈钢晶粒度大于8级，组织为回火索氏体。
⑥吹砂：对零件表面进行吹砂，清除氧化皮。
(2)组织、性能
预备热处理后利用金相显微镜观察基体组织及晶粒度，见图2(c)。基体组织为回火索氏体，晶粒度为8级，基体硬度为28.2HRC。渗氮后检查零件渗氮层硬度92.6HR15N，渗层深度0.225mm～0.25mm，且表面没有大量的起泡现象，见图3(c)和图4(c)。对热处理后的试棒进行力学性能测试，抗拉强度为840MPa，屈服强度700MPa，断后伸长率22.0％，断面收缩率69.0％，冲击功75.0J。
如图1(a)-图1(b)所示，从两张图片可以看出，零件内孔小、长且为盲孔不好渗，从图1(b)可以看出渗后表面严重起泡。
如图2所示，从预备热处理后零件的心部截面金相组织照片，预备热处理后零件组织均匀，晶粒非常细，晶粒度级别高，晶粒度级别直接影响零件渗氮后是否起泡。
如图3所示，从渗氮后的零件的渗氮层截面金相组织照片可以看出，渗氮层的质量、渗氮层组织、厚度，均在合格范围内。
如图4所示，从合格零件的外貌图可以看出，渗氮后表面没有起泡现象，研磨无麻坑。
实施例结果表明，上述方法能够满足膜盒盖设计制造要求，采用适当的预备热处理对改善渗氮起泡效果显著，基本没有起泡现象，而且力学性能经过调整后也没有降低，因该零件可用于多种型号发动机上，按年产发动机200台算，年创造4万元的经济价值。

Claims (3)

1.一种减少1Cr13钢制零件氮化起泡的工艺方法，其特征在于，预备热处理工序工艺步骤为：首先对来件进行检查有无裂纹、多余物，检查盒格后将毛坯零件均匀地平铺在淬火夹具表面；待加热炉升温至910℃～950℃后，将装有零件的夹具放入炉内，加热炉温度回升至910℃～950℃时，保温90min～120min出炉浸入油槽冷却，待降到室温后出油槽，放入清洗机中洗净零件表面油污；接下来将零件装入加热炉中回火，在580～620℃，保温120min～150min，水冷，冷至室温；最后对零件表面进行吹砂，清除表面氧化皮。
2.按照权利要求1所述的减少1Cr13钢制零件氮化起泡的工艺方法，其特征在于，回火后切取金相试样检查晶粒度及组织，基体组织为回火索氏体，晶粒度为8～9级，基体硬度为25.0～28.2HRC。
3.按照权利要求1所述的减少1Cr13钢制零件氮化起泡的工艺方法，其特征在于，采用气体氮化法渗氮后，渗氮后检查零件表面无明显起泡现象，渗氮层硬度大于90HR15N，渗氮层深度0.225mm～0.25mm。
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