CN107245691A - 金属材料复合热处理表面强化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于热处理技术领域，公开了一种金属材料复合热处理表面强化方法。将金属工件加热到780～900℃进行碳氮共渗达到一定深度后降温至650～720℃进行氮碳共渗。氮碳共渗过程后期通过控制氮势消除渗层中的脆性化合物层。然后进行淬火，先置于250～300℃硝盐溶液中等温淬火并保温，再置于120～180℃等温淬火并保温，最后在220～240℃时效处理。本工艺淬火温度低，金属工件变形小，渗层厚度大；而且可以获得无脆性白亮层的表面，极大减小了渗层脆性，同时在经过淬火‑分配‑回火工艺处理后，材料心部的强韧性得到提高，渗层的强度、硬度也得到了进一步提高，并且，金属工件经过两次淬火，表层形成残留压应力，提高了金属工件的抗疲劳性能。
Description
技术领域
本发明属于热处理技术领域，涉及的是一种金属材料零部件的热处理工艺，特别是一种强化中低碳(低合金)钢表面的有效方法。
背景技术
渗氮、渗碳作为一种成熟的化学热处理工艺现已广泛应用于工业生产，特别是齿轮、轴类、薄片等需要表面高强度芯部韧性好的金属工件。但普通渗碳工艺的淬火加热温度约930℃，导致淬火应力大，对于小薄金属工件很难控制变形。渗氮及奥氏体氮碳共渗工艺虽然使得淬火温度在700℃以下，但渗层薄且脆，影响了表面强化效果。因此，开发淬火加热温度低、表面强化效果明显的热处理工艺具有重要的工业价值。例如，专利申请号为CN201080040230.0的专利《碳氮共渗构件的制造方法》公开了一种结合渗碳和碳氮共渗的复合热处理工艺，低碳低合金钢在900℃以上渗碳之后直接降温至800～900℃碳氮共渗，接着在800℃直接淬火，并对金属工件进行回火、喷丸处理。该工艺淬火温度高，金属工件容易变形，特别是对于薄板金属工件，变形明显，不易获得形状稳定的薄片金属工件；专利申请号为CN201410038045.8的专利《变速器齿圈氮碳共渗处理工艺》公开了一种氮碳共渗工艺，工艺过程为前清洗、预氧化处理、氮碳共渗处理、后清洗。其中氮碳共渗温度是560～570℃，保温适当时间，气源是氨气、氮气、二氧化碳，共渗结束后进行油淬。该工艺只能获得一层氮化层，无法获得较厚渗层深度，而且氮化层表层的化合物层存在脆性问题；专利申请号为CN02157722的专利《复合热处理方法》公开了一种复合化学热处理工艺，将渗氮与渗碳结合，在930℃左右渗碳，同炉内在720℃以下渗氮，淬火并时效处理。该工艺避免了淬火应力大、渗层薄的缺陷，表面硬度到达900Hv。但是该工艺并没有解决渗层脆性问题。以上公开专利分别以碳氮共渗、氮化、复合化学热处理方法来提高金属工件渗层的力学性能，但是分别存在变形大、渗层深度小、表面化合物层脆性等问题。
Q-P-T工艺是一种在淬火-分配(Q-P)工艺基础上发展的一种热处理新工艺，在发展高强度钢领域具有重要意义。Q-P-T工艺通过碳的再分配形成稳定残留奥氏体，增加材料塑性，而且可以通过回火析出弥散复杂碳化物增加材料强度，从而提高材料综合强韧性。徐祖耀院士在2007年第九次全国热处理大会上发表《钢的热处理新工艺》论文，文中论述了经过Q-P-T工艺处理的钢力学性能的优越性。但是Q-P-T工艺是针对金属体材料的工艺，并没有单独用于表面强化的先例。本发明综合复合化学热处理及Q-P-T工艺的最新研究，开发出一种更加有效的复合热处理表面强化工艺。
发明内容
本发明是多种热处理工艺结合，避免单一热处理工艺缺点的综合热处理技术，涉及到的热处理工艺有碳氮共渗、奥氏体氮碳共渗、无化合物层渗氮、Q-P-T工艺。具体包括如下步骤：
(1)金属工件在多用炉内加热到780～900℃进行，采用甲醇、煤油和氨气为渗剂A，在炉内进行碳氮共渗直到达到要求渗层深度；
(2)将经过步骤(1)处理的金属工件降温至650～720℃进行氮碳共渗并保温时间为1～4h，采用氨气、甲醇为渗剂B，氮碳共渗完成后，金属工件出炉；
(3)将经过步骤(2)共渗后出炉的金属工件置于250～300℃硝盐溶液中等温淬火并保温；
(4)然后，将金属工件放置在120～180℃的硝盐溶液中保温；
(5)最后，对金属工件进行220～240℃时效处理，出炉空冷至室温。
步骤(1)中，所述渗剂A中，甲醇和煤油是主要成分，氨气是次要成分；其中，甲醇滴入量是200滴/min，同时滴入煤油30-80滴/min，氨气通入量为1m3/h。
步骤(1)中，所述碳氮共渗的时间是根据渗层深度要求控制的，时间越长获得渗层深度越大。
步骤(2)中，所述渗剂B中，氨气为主要成分，甲醇为次要成分；其中，氨气通入量是3m3/h，甲醇滴入量是100滴/min。
所述步骤(2)中，当需要去除渗层中的化合物层时，氮碳共渗过程分前期和后期，前期渗剂为甲醇和氨气，甲醇滴入量是100滴/min，氨气通入量是3m3/h，时间为0.5～3.5h；后期渗剂为氨气，氨气流量为0.5m3/min，时间为0.5h，促使氮化层的化合物层分解，从而达到消除渗层中化合物层之目的。
步骤(3)中，保温时间为5min。
步骤(4)中，保温时间为5～30min。
步骤(5)中，时效处理的时间为3～5h。
本发明涉及的化学热处理方法特别适用于中低碳合金钢工件，具有以下优点：
(1)淬火加热温度低，变形小。金属工件淬火温度为720℃，淬火后变形远低于渗碳淬火(淬火加热温度为930℃)，适合用于薄板金属工件。
(2)渗层厚度大、渗层强度硬度高，金属工件心部组织强韧性好。本发明先通过渗碳，保证渗层厚度，再通过氮化处理和淬火处理使表面获得强度硬度极高的含氮马氏体组织，保证了渗层强度硬度。心部组织经过淬火后再在一定温度保温并且回火处理，具备良好的强韧性。
(3)解决表面脆性问题。在氮碳共渗后期的退氮处理消除了氮化层表面脆性化合物层，从而消除了化合物层带来的脆性问题。
(4)表面形成明显压残留压应力，有效提高金属工件抗疲劳性能。金属工件经过两次等温淬火以达到心部先相变表层后相变的过程，形成表面压残留压应力。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
(1)40Cr复合热处理表面强化。40Cr样品经热水清洗干净后风干装炉，炉内通入氨气、甲醇和少许煤油，氨气流量是1m3/min，煤油流量是50滴/min，甲醇流量是200滴/min，在820℃进行2h碳氮共渗；
(2)再将炉温降低到720℃，此时炉内氨气流量为3m3/min，甲醇流量是100滴/min，进行氮碳共渗1h。
(3)金属工件出炉后，立即在280℃硝盐溶液中等温淬火并且保温5min，
(4)然后进行160℃硝盐溶液中保温30min；
(5)最后进行230℃时效处理4h。
获得渗层硬度大于720Hv，并且渗层的硬度梯度平缓，渗层深度可超过0.5mm。
实施例2
(1)08F钢复合热处理表面强化工艺。薄片状08F钢样品经清洗风干后装炉，炉内通入氨气、甲醇和少许煤油，氨气流量是1m3/min，煤油流量是50滴/min，甲醇流量是200滴/min，在840℃进行1h碳氮共渗；
(2)降温至700℃进行氮碳共渗，炉内氨气流量为3m3/min，甲醇流量是100滴/min，进行氮碳共渗2h。在氮碳共渗最后0.5h，氨气流量降低为0.5m3/min，以达到去除化合物层之目的。
(3)出炉后将金属工件进行280℃硝盐等温淬火并且保温5min；
(4)然后进行160℃硝盐等温30min，
(5)最后进行230℃时效处理5h，出炉空冷到室温。
获得的样品表层无化合物层，经过130°弯曲测试，表面无裂痕，具有良好的韧性。
Claims (8)
1.金属材料复合热处理表面强化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)金属工件在多用炉内加热到780～900℃进行，采用甲醇、煤油和氨气为渗剂A，在炉内进行碳氮共渗直到达到要求渗层深度；
(2)将经过步骤(1)处理的金属工件降温至650～720℃进行氮碳共渗并保温时间为1～4h，采用氨气、甲醇为渗剂B，氮碳共渗完成后，金属工件出炉；
(3)将经过步骤(2)共渗后出炉的金属工件置于250～300℃硝盐溶液中等温淬火并保温；
(4)然后，将金属工件放置在120～180℃的硝盐溶液中保温；
(5)最后，对金属工件进行220～240℃时效处理，出炉空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的金属材料复合热处理表面强化方法，其特征在于，步骤(1)中，所述渗剂A中，甲醇和煤油是主要成分，氨气是次要成分；其中，甲醇滴入量是200滴/min，同时滴入煤油30-80滴/min，氨气通入量为1m3/h。
3.根据权利要求1所述的金属材料复合热处理表面强化方法，其特征在于，步骤(1)中，所述碳氮共渗的时间是根据渗层深度要求控制的，时间越长获得渗层深度越大。
4.根据权利要求1所述的金属材料复合热处理表面强化方法，其特征在于，步骤(2)中，所述渗剂B中，氨气为主要成分，甲醇为次要成分；其中，氨气通入量是3m3/h，甲醇滴入量是100滴/min。
5.根据权利要求1所述的金属材料复合热处理表面强化方法，其特征在于，所述步骤(2)中，当需要去除渗层中的化合物层时，氮碳共渗过程分前期和后期，前期渗剂为甲醇和氨气，甲醇滴入量是100滴/min，氨气通入量是3m3/h，时间为0.5～3.5h；后期渗剂为氨气，氨气流量为0.5m3/min，时间为0.5h，促使氮化层的化合物层分解，从而达到消除渗层中化合物层之目的。
6.根据权利要求1所述的金属材料复合热处理表面强化方法，其特征在于，步骤(3)中，保温时间为5min。
7.根据权利要求1所述的金属材料复合热处理表面强化方法，其特征在于，步骤(4)中，保温时间为5～30min。
8.根据权利要求1所述的金属材料复合热处理表面强化方法，其特征在于，步骤(5)中，时效处理的时间为3～5h。
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