CN107740032A - 真空低压超浅层渗碳热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了真空低压超浅层渗碳热处理方法，通过抽真空的方式形成“渗碳‑扩散”脉冲式渗碳过程进行渗碳工艺环节的渗碳阶段处理，解决一般渗碳的热处理工艺周期长、能耗高、成本高，耗时、费工，渗碳质量不稳定，普通渗碳技术渗碳层深度不易保证，渗碳层深度、表面硬度均匀性差的不足之处。通过真空低压超浅层渗碳热处理方法的应用，保证渗碳零件的质量，使渗碳层深度、表面硬度均匀性提高，提高零件渗碳的各项性能指标；缩短渗碳热处理工艺周期，节约能源，降低零件渗碳热处理成本，提高生产效率。

Description

真空低压超浅层渗碳热处理方法

技术领域

本发明涉及真空渗碳热处理技术等领域，具体的说，是真空低压超浅层渗碳热处理方法。

背景技术

渗碳处理，是指为增加钢件表层的含碳量和形成一定的碳浓度梯度，将钢件在渗碳介质中加热并保温渗碳使碳原子渗入零件表层的化学热处理工艺。

渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。也是使低碳钢的零件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使零件的表面层具有高硬度和耐磨性，而零件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。

其原理为：

1、分解：将钢铁零件加热到一定温度（奥氏体化温度）通入渗碳剂，在该温度下渗碳剂中形成CO、CH等渗碳供碳组份；

2、吸附、反应：供碳组分传递到钢铁表面在零件表面吸附、反应、产生活性碳原子渗入钢铁表面；反应生成的CO₂和（或）H₂O 离开零件表面。

3、扩散：渗入零件表面的碳原子与内部形成高的碳浓度差，高碳势必然向低碳势方向扩散，碳逐步向内部扩散，形成一定的碳浓度梯度的渗碳层表面。

渗碳零件的材料一般选用低碳钢或低碳合金钢(含碳量小于0.25%)，但是对有特殊要求的中、高碳含量的零件也有进行渗碳处理。零件渗碳后通常进行淬火才能充分发挥渗碳零件的有利作用。零件渗碳淬火后的表层显微组织主要为高硬度的马氏体加上残余奥氏体和少量碳化物，心部组织为韧性好的低碳马氏体或含有非马氏体的组织，但应避免出现铁素体。一般渗碳层深度范围为0.8～1.2毫米，也有渗碳层深度可达2-3毫米或更深。渗碳淬火后表面硬度可达58～63HRC，心部硬度为30～45HRC。渗碳淬火后，零件表面产生压缩内应力，对提高零件的疲劳强度有利。因此渗碳被广泛用以提高零件强度﹑冲击韧性和耐磨性，借以延长零件的使用寿命。

渗碳淬火是金属材料常见的一种热处理工艺，它可以使渗过碳的零件表面获得很高的硬度，提高零件的耐磨性能。传统渗碳方法主要有：气体渗碳、液体渗碳、真空渗碳、固体渗碳等渗碳方式。目前最常用，应用最广泛的渗碳方法是气体渗碳。气体渗碳使用广泛的原因是渗碳成本低、速度快、渗碳质量稳定、渗碳气氛容易控制、渗碳层表面质量易于控制等。但是对于渗碳层很浅（0.03-0.30mm）、或渗碳层很深（2.5以上渗碳层）、盲孔零件、密装零件等的渗碳质量就不易控制。通常渗碳工艺工序有：渗碳淬火+低温回火、渗碳+预冷直接淬火+低温回火、渗碳缓冷+一次加热淬火+回火、渗碳淬火+高温回火、渗碳+二次淬火+回火+冷处理、渗碳缓冷+感应加热淬火+回火等工序。渗碳淬火工艺在现代机械制造工业得到广泛的应用。其它热处理方法：淬火、感应淬火、激光淬火、正火、退火、氮化等方法都广泛使用在机械行业中。在机械制造中重要零件，尤其在汽车、飞机、火箭等中应用的钢制零件都需要经过各种热处理方法进行热处理。其目的是为满足各种零件千差万别的技术性能要求；同时为满足不同零件的性能要求，发展了各种热处理工艺。

渗碳：是对金属表面改变性能的一种热处理方法，采用渗碳处理的零件材料多为低碳钢或低合金钢。渗碳热处理的具体方法是将零件置入渗碳介质中,加热到奥氏体化温度（通常渗碳温度在：880±10-980℃±10温度范围）,保温一定时间（根据零件渗碳层深度确定）,使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层,从而获得要求碳浓度表层,心部仍保持原有成分。渗碳是钢件零件常见的一种热处理工艺。通过渗碳使零件表面获得很高的硬度、强度，提高其耐磨性能。渗碳工艺目前广泛用于飞机﹑汽车和拖拉机等的各种零件﹐如齿轮﹑轴﹑凸轮轴以及其它零件等。

渗碳工艺在中国可以上溯到2000年以前。最早是使用固体渗碳介质进行渗碳处理。随后出现液体和气体渗碳，在20世纪液体渗碳和气体渗碳得到很大的发展和广泛应用的。美国在20年代开始采用转筒炉进行气体渗碳。30年代﹐连续式气体渗碳炉开始在工业上应用。60年代高温(960～1100℃)气体渗碳得到发展。至70年代﹐出现了真空渗碳和离子渗碳。

真空渗碳热处理是利用真空技术对钢制零件表面进行渗碳淬火处理，使钢制零件表面碳浓度增加并达到一定的深度从而提高渗碳淬火零件表层的硬度、强度，改变零件性能的一种热处理方法。

真空低压超浅层渗碳热处理技术，是基于在真空渗碳技术基础的低压状态对钢或铁零件进行的一项渗碳技术。该技术是根据钢在渗碳过程应用真空低压技术有利于零件表面清洁，增加零件表面的活性；以及依据渗碳过程的热力学基础，洁净活化的零件表面有利于渗碳气体的吸附、裂解形成活性碳原子从而形成渗碳气氛；依据化学动力学原理洁净的零件表面有利于碳原子的渗入和扩散，为活性碳原子的产生提供动力。真空低压超浅层渗碳热处理技术就是利用零件清洁的表面有利于渗碳气氛的吸附、裂解与有利于活性碳原子的渗入和扩散对零件表面进行渗碳处理。真空低压超浅层渗碳技术的渗碳剂采用乙炔气体，乙炔气体在真空高温下裂解产生活性碳原子进行零件的渗碳处理。零件洁净的表面有利于加速催化乙炔气体的裂解，从而生成活性碳原子渗入零件表面。渗碳过程碳原子渗入后向内的扩散，而决定渗碳过程的快慢是碳原子向内部的扩散速度。通常的可控气氛渗碳过程，渗碳的温度愈高愈有利于碳原子向零件内部的扩散；但是渗碳的温度愈高零件的变形也就愈大，渗碳过程即要保证零件在高温下尽量小的变形，又要尽可能的提高渗碳的速度。

可控气氛进行渗碳处理由于要保证气氛循环才能保证渗碳过程的进行，零件若遇盲孔、小孔、死角、零件重叠堆放密装等，就不能够保证零件的渗碳层的均匀性，也不能够实现叠装密装生产。对于较小零件，采用可控气氛渗碳处理也存在较大难度。而在一般的真空渗碳条件下，对于超浅层渗碳层（渗碳层深度：0.03-0.30mm）要求的零件也就不能保证渗碳层深度的均匀性和最终零件性能的均匀性。

可控气氛渗碳技术不能保证浅层渗碳零件碳层的均匀性，不能保证浅层渗碳零件性能的一致性；在可控气氛渗碳过程还将产生废气造成污染。普通真空渗碳炉技术也不能很好的解决超浅层零件渗碳的均匀性和性能的一致性。

发明内容

本发明的目的在于真空低压超浅层渗碳热处理方法，解决一般渗碳的热处理工艺周期长、能耗高、成本高，耗时、费工，渗碳质量不稳定，普通渗碳技术渗碳层深度不易保证，渗碳层深度、表面硬度均匀性差、性能均匀性的不足。通过真空低压超浅层渗碳热处理方法的应用，保证渗碳零件的质量，使渗碳层深度、表面硬度均匀性、性能均匀性得到提高，提高零件渗碳的各项性能指标；缩短渗碳热处理工艺周期，节约能源，降低零件渗碳热处理成本，提高生产效率。

本发明通过下述技术方案实现：真空低压超浅层渗碳热处理方法，进行渗碳工艺环节的渗碳阶段处理，其方式是通过通入渗碳性气体-抽真空形成“渗碳-扩散”脉冲渗碳过程，使零件达到要求的性能；在零件渗碳过程是一个不断自动抽真空（排除老化气体）、补充渗碳剂（充入新鲜气体）的脉冲循环过程。零件在设定的低真空上限下限范围内自行循环加热渗碳，炉气在设定的时间周期内自行反复吐故纳新，解决了零件在渗碳过程零件盲孔、死角、密装生产、炉气老化、渗层均匀性等困难。

渗碳热处理过程借助真空炉技术进行低压真空渗碳，渗碳剂（渗碳性气体）可定向活动的特点，渗碳过程在迅速排除（抽真空）零件四周的老化气氛后，通入新鲜渗剂（通入乙炔气）立即迅速扩散到炉膛各处，包括零件上的小孔、盲孔以及死角及压紧面均可得到满足的渗层，从而实现零件密装生产。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述“渗碳-扩散”脉冲式渗碳过程具体为：

1）渗碳：在真空条件下，向加热室通入渗碳性气体并保持，对零件进行渗碳处理；优选的通入渗碳性气体的流量标准为1500-4800L/h；

2）扩散：经过渗碳后，对加热室抽真空，将内部的老化气体抽出，并保持，对零件进行扩散处理；

3）循环步骤1）和步骤2）直至设定的渗碳阶段时间完结，在设置时，优选的渗碳阶段的时间为5~120min。

真空低压超浅层渗碳通过改变渗碳气体通入和老化气体的排除实现适应不同材料、零件结构的渗碳过程。通过调整渗碳剂通入（渗碳）和排除老化气体（扩散），能够在渗碳质量上和数目上予以精确控制零件渗碳层深度和零件表面碳浓度。由于新鲜渗碳剂的不断补充，老化气氛的不断排除，补充和排除的互相促进作用，使渗碳速度加快，工艺周期缩短。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：在初期的渗碳阶段的渗碳保持时间大于等于扩散保持时间，在后期的渗碳阶段的渗碳保持时间小于等于扩散保持时间；由于采用抽真空、通入渗碳剂（渗碳性气体）技术，通过调整抽真空和通入渗碳剂的时间也就是调节脉冲间隔时间，能够很好的调节渗碳层表面的碳浓度，调节渗碳时间就能够调节渗碳层深度。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：在所述渗碳阶段之前还包括：

升温阶段：将零件放置入加热室，抽真空后再进行升温；

均温阶段：升温至渗碳温度后进行30~120min的预热均温处理，而后进入渗碳阶段。

本发明零件加热过程是在真空状态进行的，是利用真空技术首先抽除炉内气体使炉内（加热室）处于真空状态，然后升温加热零件，确保零件加热在无脱碳、氧化气体情况下进行；当加热室温升到渗碳温度后，进行保温（均温）使零件各部位温度均匀，而后再以通入渗碳性气体进行渗碳处理。这样实现零件的低压真空渗碳过程。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：在所述升温阶段步骤中，抽真空至炉压≤80Pa。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述渗碳温度为800±5℃~900±5℃。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：经过渗碳阶段后，将零件拉入前室采用真空充氮气的方式或真空淬火油淬火的方式进行淬火处理；淬火处理有两种方式：1）向真空炉前室内充入氮气的方式淬火；2）前室充入氮气后将零件浸入真空淬火油中油淬的方式进行淬火处理；

充氮气淬火方式进行淬火处理为：经过渗碳阶段后，通入高纯度氮气使淬火零件快速冷却达到淬火目的。

真空淬火油淬火的方式进行淬火处理为：向前室充入高纯度氮气，使淬火槽处压力达到0.1Mpa，在高纯氮气保护条件下将零件浸入真空淬火油中进行淬火处理。高纯度的氮气充入前室内确保零件进行淬火处理时不会发生氧化脱碳情况。在淬火油槽淬火冷却2-20min时间。

采用真空淬火油进行淬火处理确保零件淬火后得到要求的性能，光洁光亮的零件表面。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：还包括经过淬火处理后进行回火处理的步骤，在进行回火处理时，回火温度根据零件要求确定。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述渗碳性气体为乙炔（C₂H₂）。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：在进行扩散时，抽真空至炉压≤80Pa。

渗碳过程炉压调整到适当的压力可加速渗碳过程、缩短渗碳时间，低压真空渗碳设备（加热室）可随时迅速把炉压调至渗速最高的范围，从而缩短工艺周期，实现快速、高效和低耗的真空低压渗碳热处理技术。

真空低压渗碳处理过程，可根据要求随意调整压力从而达到调整炉气与零件接触的密度的目的，实现真空低压渗碳的气氛可控渗碳加热。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明采用真空低压超浅层渗碳技术能够很好的解决零件超浅层渗碳零件渗碳层均匀和性能的一致性。真空低压超浅层渗碳技术解决渗碳层深度的均匀性，性能的一致性还能针对不同材料的超浅层渗碳技术。本发明的优点可以是克服可控气氛渗碳和普通真空渗碳炉缺点；通过调整通入渗碳剂增加新鲜渗碳气氛然后抽真空排除老化气氛，这样不断的通气、抽真空达到加速渗碳的功能；在不断循环通气、抽真空过程，调整通气和抽真空的时间达到即保证表面渗碳层表层碳浓度目的又保证一定渗碳层，从而降低了成本、简化了操作、易于实现自动控制、提高了效率、节省了时间、故障率低、安全可靠、节能环保等。

（2）本发明与普通真空渗碳技术比较，保证零件渗碳过程各部位均有新鲜渗碳剂的供应，这样保证零件各部位渗碳浓度和渗碳层深度的均匀性，保证零件各部位性能的均匀性。

（3）根据真空低压超浅层渗碳技术原理适当增加炉压可增加碳原子渗人零件表面的速度。本发明给出的优化技术方案是先在真空（超低压）范围加热，接着进行变压（通入渗碳剂—低压、抽真空—超低压）加热渗碳过程，然后进行淬火处理工艺称为真空低压超浅层渗碳热处理技术。真空低压超浅层渗碳技术是零件进入炉内首先抽真空将气体排除炉外，在真空状态下对零件进行加热。加热过程零件周围不存在气体，也就不存在零件的脱碳氧化。零件表面加热均匀后通入工艺规定的渗碳剂，使零件在设定的气氛中渗碳处理，渗碳处理完成后在炉内进行淬火冷却，即实现无氧化、无脱碳渗碳淬火处理。

（4）本发明是一种优良的热处理工艺方法，该工艺具有清洁、节能、无氧化、密装生产、快速、高效等优点，很好的解决要求渗碳层深度较浅、零件尺寸较小的渗碳热处理方法。

（5）真空低压超浅层渗碳处理方法（技术）很好的解决钢制零件采用铜焊焊接零件的渗碳、淬火问题。通常钢制铜焊零件在较高的渗碳温度进行加热容易造成焊接部位的脱焊问题，造成零件渗碳质量的下降；采用本发明不但保证零件的渗碳质量，而且保证零件焊接部位的质量。

（6）本发明的升温阶段、均温阶段、渗碳阶段、淬火冷却、回火阶段的各种参数的设置，均根据热处理基本原理和根据化学热力学和化学动力学原理以及零件材料性能结构进行设置。确保零件渗碳淬火达到较高的热处理质量水平。

附图说明

图1是本发明渗碳淬火零件之一，五金打印头，材料DT4E；该零件结构虽然简单，但是尺寸很小，零件渗碳过程必须使用专用工装才能保证零件渗碳过程渗碳质量和零件过程的变形。该零件材料DT4E为电磁纯铁，渗碳有一定困难。渗碳层要求低0.03-0.10mm；渗碳淬火后要求硬度高650-850 HV。

图2示出拉力螺栓零件结构简图。该零件结构简单，但是有一直径φ3mm小孔；零件材料SUM24L，是一种易切削钢。零件渗碳层要求范围较高0.05-0.10mm，渗碳淬火后硬度要求高650-850 HV。

图3示出摇架焊件零件结构简图。摇架焊件结构特殊，是采用2种材料铜焊组合而成。轴套采用20Cr材料，摇架和限位片采用ST12材料。ST12是一种普通冷轧钢，20Cr合金结构钢。该零件渗碳淬火的难点在于零件为铜焊组合，温度较高容易造成零件焊点的脱落；其次是零件要求检查部位是ST12材料部位，要求高的硬度。摇架焊件渗碳层深度0.15-0.30mm，渗碳淬火后硬度650±100 HV。

图4示出典型真空低压超浅层渗碳热处理技术渗碳工艺曲线。

图5为ST12材料零件渗碳淬火渗碳层金相组织示意图。

图6为DT4E材料零件渗碳淬火渗碳层金相组织示意图

图7为拉力螺栓实测硬度曲线图。

图8为五金打印头实测硬度曲线图。

图9为摇架焊件实测硬度曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

本发明提出了真空低压超浅层渗碳热处理方法，通过抽真空的方式形成“渗碳-扩散”脉冲式渗碳过程进行渗碳工艺环节的渗碳阶段处理；在零件渗碳过程是一个不断自动抽真空、补充渗碳剂的脉冲循环过程。零件在设定的低真空上限下限范围内自行循环加热渗碳，炉气在设定的时间周期内自行反复吐故纳新，解决了零件在渗碳过程零件盲孔、死角、密装生产、炉气老化、渗层均匀性等困难。本发明采用的加热室优选为真空渗碳炉（VCOQ2-150）。

渗碳热处理过程借助真空炉技术进行低压真空渗碳，渗碳剂（渗碳性气体）可定向活动的特点，渗碳过程在迅速排除（抽真空）零件四周的老化气氛后，通入新鲜渗剂（通入乙炔气）立即迅速扩散到炉膛各处，包括零件上的小孔、盲孔以及死角及压紧面均可得到满足的渗层，从而实现零件密装生产。

实施例2：

本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述“渗碳-扩散”脉冲式渗碳过程具体为：

1）渗碳：在真空条件下，向加热室通入渗碳性气体并保持，对零件进行渗碳处理；优选的通入渗碳性气体的流量标准为1500-4800L/h；

2）扩散：经过渗碳后，对加热室抽真空，抽出老化气体，并保持，对零件进行扩散处理；

3）循环步骤1）和步骤2）直至设定的渗碳阶段时间完结，在设置时，优选的渗碳阶段的时间为5~120min。

真空低压超浅层渗碳通过改变渗碳气体通入和老化气体的排除实现适应不同材料、零件结构的渗碳过程。通过调整渗碳剂通入（渗碳）和排除老化气体（扩散），能够在质量上和数目上予以精确控制零件渗碳层深度和零件表面碳浓度。由于新鲜渗碳剂的不断补充，老化气氛的不断排除，补充和排除的互相促进作用，使渗碳速度加快，工艺周期缩短。

实施例3：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：在初期的渗碳阶段的渗碳保持时间大于等于扩散保持时间，在后期的渗碳阶段的渗碳保持时间小于等于扩散保持时间；由于采用抽真空、通入渗碳剂（渗碳性气体）技术，通过调整抽真空和通入渗碳剂的时间也就是调节脉冲间隔时间，能够很好的调节渗碳层表面的碳浓度，调节渗碳时间就能够调节渗碳层深度。

实施例4：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：在所述渗碳阶段之前还包括：

升温阶段：将零件放置入加热室，抽真空后进行升温；

均温阶段：升温至渗碳温度后进行30~120min的预热均温处理，而后进入渗碳阶段。

本发明零件加热过程是在真空状态进行的，是利用真空技术首先抽除炉内气体使炉内（加热室）处于真空状态，然后升温加热零件，确保零件加热在无脱碳、氧化情况下进行；当加热室温升到渗碳温度后，进行保温（均温）使零件各部位温度均匀，而后再以通入渗碳性气体进行渗碳处理。这样实现零件的低压真空渗碳过程。

实施例5：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：在所述升温阶段步骤中，抽真空至炉压≤80Pa。

实施例6：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述渗碳温度为800±5℃~900±5℃。

实施例7：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：经过渗碳阶段后，采用将零件拉入前室，然后真空充氮气的方式或真空淬火油淬火的方式进行淬火处理；

前室充氮气的方式进行淬火处理为：经过渗碳阶段后，向前室通入氮气（优选为高纯度氮气）在高纯度氮气条件下进行淬火处理（前室充入氮气压力达到0.1MPa），高纯度的氮气充入炉子前室确保零件进行淬火处理时不会发生氧化脱碳情况。

所述真空淬火油淬火的方式进行淬火处理为：在向前室充入高纯度氮气条件下零件迅速淬入真空淬火油进行淬火冷却（前室充入氮气压力达0.1Mpa，零件迅速淬入真空淬火油中冷却2-20min）。

采用高纯度氮气和真空淬火油进行淬火处零件，零件淬火后得到要求的性能，光洁光亮的表面。

实施例8：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：还包括经过淬火处理后进行回火处理的步骤，在进行回火时优选采用箱式回火炉（ZJ1018-5（6））进行回火，回火温度根据不同零件优选设定为（180~260）±10℃，回火时间优选为120min。

实施例9：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述渗碳性气体为乙炔（C₂H₂）。

实施例10：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：在进行扩散时，抽真空至炉压≤80Pa。

渗碳过程炉压调整到适当的压力可加速渗碳过程、缩短渗碳时间，低压真空渗碳设备（加热室）可随时迅速把炉压调至渗速最高的范围，从而缩短工艺周期，实现快速、高效和低耗的真空低压渗碳热处理技术。

真空低压渗碳处理过程，可根据要求随意调整压力从而达到调整炉气与零件接触的密度的目的，实现真空低压渗碳的气氛可控渗碳加热。

实施例11：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，真空低压浅层渗碳热处理，采用如图4所示的工艺进行处理，低压真空浅层渗碳工艺共分为四阶段：升温、均温阶段、渗碳阶段、淬火；均温阶段和渗碳阶段的温度选择850±5℃，选择850℃作为该产品（卡板）的渗碳温度有四层方面因素考虑：一方面基于热处理的铁碳平衡图，20号钢奥氏体化温度有利于碳原子的吸收扩散；另一方面基于考虑零件表面可形成碳浓度因素，不至于在零件表面形成过高的碳化物；第三方面即保证零件的性能又保证零件的结构，渗碳处理后零件小的变形；第四方面是渗碳过程材料的晶粒度不会长大太多，能够保证零件性能要求。渗碳过程采用较高的温度有利于渗碳剂的裂解，有利于碳向零件内部的扩散；但是较高的温度大量裂解出来的活性碳原子不能够被零件表面所吸收，只能够相互碰撞形成碳黑，不利于渗碳过程的进行；同时较高温度也增加零件变形的趋势；较高的温度也容易造成材料晶粒度的长大，影响零件性能；因此优选850℃的渗碳淬火温度。

在渗碳阶段是一个脉冲状态的渗碳过程，即：渗碳-扩散-渗碳-扩散……。开始渗碳时间较长，扩散时间较短，随渗碳阶段的推移，渗碳时间减短、扩散时间增长，渗碳阶段总计时间为57min；在渗碳阶段处理时，渗碳时间内炉压为≤80Pa，渗碳期要求高碳势则渗碳剂的流量相应增大才能够保证气氛有高的碳势。在零件表面形成高的碳势有利于碳的渗入，在零件表面形成高的碳浓度，高的碳浓度有利于碳向内部的扩散从而形成一定深度一定浓度的渗碳层；优选的在渗碳时，按照4800L/h的流量通入乙炔气。扩散期，真空泵将老化的气氛抽出，零件在真空状态，此时零件表面的碳继续向零件内部扩散；直至达到一定深度，零件表面渗碳层能够形成比较平缓的渗碳层表面，改善了零件渗碳层表面的性能。不断的渗碳、扩散，零件表面不断的富集碳又不断的向内部扩散，从而形成一定浓度及厚度的渗碳层表层；在淬火时，充入高纯度氮气。

渗碳阶段完成进入淬火阶段，淬火阶段前室首先直接充入氮气（高纯度氮气）至炉压为0.1MPa条件下进行淬火处理。高纯度的氮气充入炉内确保零件进行淬火处理时不会发生氧化脱碳情况。

淬火冷却采用的是真空淬火油进行淬火零件表面光亮度高。采用真空淬火油进行淬火处理确保零件淬火后得到要求的性能，光洁光亮的表面。淬火完成根据零件的要求进行回火处理。图4工艺曲线处理零件回火温度为180℃，回火120min；能够保证零件的性能达到规定要求，也能够消除零件的淬火应力。最终得到符合性能、外观要求浅层渗碳零件。

实施例12：

真空低压超浅层渗碳热处理方法（技术），该具体实施案例包括：五金打印头、拉力螺栓、摇架焊件三种典型零件的渗碳热处理，零件结构形状示于图1、图2、图3。这三种零件结构、材料、技术要求、渗碳热处理都具有典型代表意义。结构：五金打印头零件很小，拉力螺栓有小孔，摇架焊件是两种材料铜焊组合；材料：五金打印头是DT4E电磁纯铁，拉力螺栓是SUM24L易切削钢，摇架焊件是ST12普通冷轧钢和20Cr结构钢铜焊件；技术要求高：渗碳层要求浅0.03-0.30mm，硬度要求高550-850 HV。

根据本发明的真空低压浅层渗碳热处理技术是渗碳工艺过程渗碳加热之前抽真空、均温，重要的是渗碳阶段的脉冲形式，即：渗碳-扩散-渗碳-扩散……（充入C₂H₂-抽真空-充入C₂H₂-抽真空……），开始渗碳时间较长，扩散时间较短，随渗碳阶段的推移，渗碳时间减短、扩散时间增长。开始渗碳为零件表面创造一个高碳势表面，随时间延长补充零件表面碳浓度，渗碳层达到一定深度。

五金打印头，材料：DT4E，是工业纯铁含碳量在0.04%以下，此工业纯铁又叫电工纯铁。DT4E是一种含铁量在99.5%以上的优质材料，一种低碳低硫低磷纯铁。五金打印头技术要求：渗碳层：0.03-0.10mm；金相组织：马氏体+少量碳化物；表面硬度： 620-650 HV。采用本发明很好的解决了这种材料零件的渗碳淬火。在具体实施，首先对装载好五金打印头的真空渗碳炉抽真空至≤80Pa，然后进行升温，使得加热室（真空渗碳炉）升温至820℃，并且使其在820±5℃的情况下均温，而后进入渗碳阶段；在渗碳阶段，渗碳真空度优选为80Pa，优选采用4800L/h左右的流量通入乙炔（C₂H₂）进行渗碳，且在渗碳时间共计20min，零件渗碳完成后真空油冷淬火，而后在180±10℃条件下回火处理120min。零件达到用户规定要求。

拉力螺栓材料：SUM24L是属于易切削钢。拉力螺栓的技术要求：渗碳层深度：0.05-0.10mm；表面硬度： 750±100 HV；表面组织：马氏体+碳化物。在实施时，进行升温，均温阶段，均温时间优选为30min；拉力螺栓渗碳淬火温度选择820±5℃，渗碳阶段总计耗时25分钟，渗碳时乙炔气体的流量为4500L/h左右，回火温度180±10℃，回火时间120分钟。

摇架焊件，材料：ST12与20Cr两种材料组合的铜焊零件。技术要求：渗碳层：0.15-0.30mm；金相组织：马氏体+少量碳化物；表面硬度： 650±100 HV；检查部位：限位片工作部位。采用本发明很好的解决了两种材料采用铜焊组合零件的渗碳淬火。满足了客户的要求，为两种材料铜焊组合件进行渗碳淬火创出了新路。由于摇架焊件具有零件的独特性，采用ST12与20Cr材料组合的铜焊件，铜焊件稍高的温度就容易熔化；而ST12材料是一种低碳钢，一般用于冲压件或拉伸件。ST12材料使用上和08F，SPHC等类似，而20Cr钢则是一种低碳合金结构钢，是两种钢是不同性质的材料。在具体实施时，首先对装载好摇架焊件的真空渗碳炉抽真空至≤80Pa，然后进行升温，使得加热室（真空渗碳炉）升温至810℃，并且使其在810±5℃的情况下均温，且优选均温时间为30min，而后进入渗碳阶段，渗碳阶段渗碳真空度优选为350Pa，优选采用4800L/h的流量通入乙炔（C₂H₂）进行渗碳，且在渗碳时间优选分布共计75min，零件渗碳完成后油冷淬火2min，而后在260±10℃条件下回火处理120min。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.真空低压超浅层渗碳热处理方法，其特征在于：进行渗碳工艺环节的渗碳阶段处理，其方式是通过通入渗碳性气体-抽真空形成“渗碳-扩散”脉冲渗碳过程。

2.根据权利要求1所述的真空低压超浅层渗碳热处理方法，其特征在于：所述“渗碳-扩散”脉冲式渗碳过程具体为：

1）渗碳：在真空条件下，向加热室通入渗碳性气体并保持，对零件进行渗碳处理；

2）扩散：经过渗碳后，对加热室抽真空，并保持，对零件进行扩散处理；

3）循环步骤1）和步骤2）直至设定的渗碳阶段时间完结。

3.根据权利要求2所述的真空低压超浅层渗碳热处理方法，其特征在于：在初期的渗碳阶段的渗碳保持时间大于等于扩散保持时间，在后期的渗碳阶段的渗碳保持时间小于等于扩散保持时间。

4.根据权利要求1或2或3所述的真空低压超浅层渗碳热处理方法，其特征在于：在所述渗碳阶段之前还包括：

升温阶段：将零件放置入加热室，抽真空并进行升温；

均温阶段：升温至渗碳温度后进行30~120min的预热均温处理，而后进入渗碳阶段。

5.根据权利要求4所述的真空低压超浅层渗碳热处理方法，其特征在于：在所述升温阶段步骤中，抽真空至炉压≤80Pa。

6.根据权利要求4所述的真空低压超浅层渗碳热处理方法，其特征在于：所述渗碳温度为800±5℃~900±5℃。

7.根据权利要求1或2或3或5或6所述的真空低压超浅层渗碳热处理方法，其特征在于：经过渗碳阶段后，采用真空充氮气的方式或真空淬火油淬火的方式进行淬火处理。

8.根据权利要求7所述的真空低压超浅层渗碳热处理方法，其特征在于：还包括经过淬火处理后进行回火处理的步骤。

9.根据权利要求1或2或3或5或6或8所述的真空低压超浅层渗碳热处理方法，其特征在于：所述渗碳性气体为乙炔。

10.根据权利要求2或3或5或6或8所述的真空低压超浅层渗碳热处理方法，其特征在于：在进行扩散时，抽真空至炉压≤80Pa。