CN107841707A - 31CrMoV9齿轮的深层离子氮化工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种31CrMoV9齿轮的深层离子氮化工艺，包括正火、淬火、回火、离子氮化前的清洗、离子氮化装炉、离子氮化处理、离子氮化后的渗层检验等工艺过程。本发明提供的31CrMoV9齿轮的深层离子氮化工艺，通过改进预备热处理和离子氮化工艺过程中的工艺方法和工艺参数，采用变温四段离子氮化工艺方法，可使31CrMoV9齿轮的渗层厚度可以达到0.9mm以上，而且是在表面硬度、表面脆性、脉状氮化物、表面疏松渗层指标全部合格的前提下，硬度梯度更加平稳，使齿轮的承载能力大幅提高，接触疲劳和弯曲强度也大幅提高。

Description

31CrMoV9齿轮的深层离子氮化工艺
技术领域
本发明涉及齿轮热处理技术领域，特别涉及一种31CrMoV9齿轮的深层离子氮化工艺。
背景技术
31CrMoV9是国外的一种合金钢牌号，应用在气体氮化齿轮上，国内应用的很少。在透平压缩机上，传统的离子氮化预备热处理工艺后的力学性能是：屈服强度≥735MPa，硬度HB269～302，然后进行离子氮化表面强化处理，表面硬度HV5≥502,渗层厚度在0.35-0.70mm(金相法)，为了提高离心压缩机用31CrMoV9齿轮的疲劳寿命，我们通过热处理工艺试验，直接将31CrMoV9材料的心部性能热处理到屈服强度≥833MPa，抗拉强度≥900MPa，硬度HB303～341。在离子氮化工艺方面，创新开发了变温4段深层离子氮化工艺方法，金相法检验渗层厚度可以达到0.9以上，而且是在表面硬度、表面脆性、脉状氮化物、表面疏松等渗层指标全部合格的前提下,过渡层硬度高，硬度梯度平稳，渗层厚度增加。经本发明专利离子氮化工艺处理后的齿环，承载能力可以大幅提高，在接触疲劳强度大幅提高的同时，大幅提高离子氮化齿轮的应用范围，可以代替一部分目前采用渗碳淬火的压缩机齿轮的表面强化工艺。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够增加渗氮层厚度和降低渗氮层硬度梯度的陡峭度的31CrMoV9齿轮的深层离子氮化工艺，以提高该种齿轮离子氮化后的承载能力，扩大该齿轮的应用范围。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种31CrMoV9齿轮的深层离子氮化工艺，包括以下步骤：
正火处理：正火温度910℃，炉温低于500℃装炉，按不高于每小时100℃的速度升温，保温时间按“有效厚度/40mm”小时计算，然后空冷，要求散放；
淬火处理：淬火温度910℃，炉温低于500℃装炉，按不高于每小时100℃的速度升温，保温时间按“有效厚度/40mm”小时计算，然后水基淬火液冷却后转油冷，所述水基淬火液冷却的时间按有效厚度每毫米0.8秒计算；
回火处理：回火温度610℃±10℃，炉温350℃以下装炉，按不高于每小时70℃的速度升温，保温时间按“1.5倍淬火保温时间”计算，然后空冷；
稳定处理：稳定处理温度580℃，炉温300℃以下装炉，按不高于每小时70℃的速度升温，保温时间与回火保温时间相同，冷却以不高于每小时50℃的速度降温，降到200℃出炉空冷；
离子氮化前的清洗：先对工件进行外观质量的检查与处理，然后对工件进行油污的清洗；
离子氮化的装炉：包括对不同工件的配炉、装炉时工件的摆放、以及设置辅助阴阳极辅助加热；
离子氮化处理：采用变温四段离子氮化工艺进行氮化处理，所述变温四段离子氮化工艺是第一段、第二段、第三段和第四段的离子氮化温度分别为510℃、520℃、505℃、515℃，其中，第一段和第二段及第三段和第四段的离子氮化保温时间比均为2：5，总的离子氮化保温时间根据渗氮层厚度要求确定，当第四段离子氮化保温结束后，炉冷降温到200℃以下出炉空冷；
离子氮化的渗层检验：所述离子氮化的渗层检验按GBT11354-2005钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验标准进行，包括对渗层组织的检验和对渗氮层厚度的检验，所述渗层组织的检验包括对渗层厚度、表面硬度、表面脆性、脉状氮化物以及表面疏松度的检验，所述渗氮层厚度的检验采用硬度法检验或金相法检验。
进一步地，所述回火处理中，回火炉设置搅拌风扇，使炉温的均匀性保持在±10℃的范围内。
进一步地，所述回火处理的温度根据31CrMoV9齿轮材料的化学成分、工件的有效尺寸和体积系数、及淬火装炉状况，在610℃±10℃的范围内调整。
进一步地，所述不同工件在配炉时要保证炉温的均匀性，表面积与重量的比值相近的工件在一起配炉；所述装炉时工件的摆放是根据各工件的硬度和厚度要求进行摆放。
进一步地，所述装炉时工件的摆放方法不能使炉温均匀时，通过增设辅助阴阳极，改进炉温的均匀性，达到各工件硬度和厚度要求的温度环境。
进一步地，所述离子氮化处理所用的设备为脉冲离子氮化炉。
进一步地，所述硬度法检验的界限值按GBT11354-2005标准，对于齿轮的渗氮层深度，其界限值以HV400为准。
进一步地，所述31CrMoV9材料的化学成分满足DINEN10085-2001标准的规定。
进一步地，所述31CrMoV9齿轮的深层离子氮化工艺适用于透平压缩机31CrMoV9离子氮化齿轮。
本发明提供的31CrMoV9齿轮的深层离子氮化工艺，通过改进预备热处理和离子氮化工艺过程中的工艺方法和工艺参数，采用变温四段离子氮化工艺方法，采用金相法检验，可使31CrMoV9齿轮的渗层厚度可以达到0.9mm以上，而且是在表面硬度、表面脆性、脉状氮化物、表面疏松渗层指标全部合格的前提下，硬度梯度更加平稳。经本发明提供的离子氮化工艺离子氮化热处理后的齿轮工件，在接触疲劳强度大幅提高的同时，承载能力可以大幅提高，大幅提高离子氮化齿轮的应用范围，可以代替一部分目前采用渗碳淬火的压缩机齿轮的表面强化工艺。
本发明提供的31CrMoV9齿轮的深层离子氮化工艺，不但可以用在31CrMoV9压缩机用齿轮上，而且可以用在其它产品工件，所有应用31CrMoV9材料进行离子氮化热处理的工件上。
附图说明
图1为本发明实施例提供的31CrMoV9齿轮的深层离子氮化工艺的流程图；
图2为本发明实施例1提供的放大50倍的渗氮层厚度金相检验照片；
图3为本发明对比例1提供的放大50倍的渗氮层厚度金相检验照片；
图4为本发明提供的实施例1与对比例1的硬度梯度曲线；
图5为本发明实施例1提供的放大500倍的渗层组织金相照片；
图6为本发明实施例2提供的放大100倍的渗氮层厚度金相检验照片；
图7为本发明对比例2提供的放大100倍的渗氮层厚度金相检验照片；
图8为本发明提供的实施例2与对比例2的硬度梯度曲线；
图9为本发明实施例2提供的放大500倍的渗层组织金相照片。
具体实施方式
参见图1，本发明公开了一种31CrMoV9齿轮的深层离子氮化工艺，所述31CrMoV9材料的化学成分满足DINEN10085-2001标准的规定，该工艺包括以下步骤：
(1)正火处理：正火温度910℃，炉温低于500℃装炉，按不高于每小时100℃的速度升温，保温时间按“有效厚度/40mm”小时计算，然后空冷，工件出炉空冷时要求散放。
(2)淬火处理：淬火温度910℃，炉温低于500℃装炉，按不高于每小时100℃的速度升温，保温时间按“有效厚度/40mm”小时计算，然后水基淬火液冷却后转油冷，水基淬火液冷却的时间按有效厚度每毫米0.8秒计算。
(3)回火处理：回火温度610℃±10℃，回火温度可根据31CrMoV9材料的实际化学成分，以及工件的有效尺寸、体积系数、装炉状况等淬火条件在610℃±10℃的范围内调整，炉温350℃以下装炉，按不高于每小时70℃的速度升温，保温时间按“1.5倍淬火保温时间”计算，然后空冷。并且，回火炉的温度均匀性要保证在加减10℃的范围内。
(4)稳定处理：稳定处理温度580℃，炉温300℃以下装炉，按不高于每小时70℃的速度升温，保温时间按回火的保温时间，冷却以不高于每小时50℃的速度降温，降到200℃出炉空冷。
(5)工件的清洗：所述工件的清洗包括工件毛刺等外观质量的检查及处理、之后采用工业洗涤剂或者丙酮进行油污的清洗，清洗时一定要彻底、干净，特别是沟槽、孔洞的部位要清洗干净。
(6)离子氮化的装炉：所述离子氮化的装炉包括不同工件的配炉、装炉的摆放、辅助阴阳极的设置等。配炉要考虑炉温的均匀性，表面积与本身重量之间的比值相近的工件一起配炉。工件装炉的摆放要考虑各工件的硬度和厚度要求、及炉温的均匀性。如果通过改变装炉方法不能达到炉温均匀的情况下，可以根据装炉的具体情况，采用增设辅助阴阳极的措施，以改进炉温的均匀性，或者达到各工件硬度和厚度要求的温度环境。
(7)离子氮化处理：所述离子氮化处理工艺为变温四段离子氮化工艺，即第一段、第二段、第三段和第四段的离子氮化温度分别为510℃、520℃、505℃、515℃，其中，第一段和第二段及第三段和第四段的离子氮化保温时间比均为2：5，总的保温时间根据渗氮层厚度要求确定，设备采用脉冲离子氮化炉，当第四段离子氮化保温结束后，炉冷降温到200℃以下出炉空冷。
(8)离子氮化后的渗层检验：所述离子氮化的渗层检验按GBT11354-2005钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验标准进行，渗层组织的检验包括渗层厚度、表面硬度、表面脆性、脉状氮化物、表面疏松等。渗氮层厚度的检验，先可以采用硬度法检验，应用一段时间后、工艺比较成熟了可以采用金相法检验渗氮层厚度，硬度法的界限值按GBT11354-2005标准，对于齿轮的渗氮层深度，其界限值以HV400为准。
下面结合实施例对本发明提供的31CrMoV9齿轮的深层离子氮化工艺做详细说明。
实施例1
透平压缩机用31CrMoV9齿轮的材料化学成分：C:0.337wt.％；Si：0.32wt.％；Mn：0.57wt.％；Cr：2.49wt.％；Mo：0.19wt.％；S：0.027wt.％；P：0.005wt.％；V：0.13wt.％；Ni:0.11wt.％；Cu:0.07wt.％；W:0.010wt.％；余量为Fe。对31CrMoV9齿轮进行离子氮化热处理，包括以下步骤：
(1)正火处理：正火温度910℃，正火处理3小时，炉温低于500℃开始升温，小于100℃/h速度升温，保温结束后出炉空冷，空冷时散放；
(2)淬火处理：淬火温度910℃，淬火处理3小时，炉温低于500℃开始升温，小于100℃/h速度升温，保温结束后水基淬火液冷却100秒后转油冷；
(3)回火处理：回火温度610℃，回火处理5小时，炉温低于350℃开始升温，小于70℃/h速度升温，然后空冷；
(4)处理后检验：处理后工件的硬度为HB332；
(5)稳定处理：稳定温度580℃，处理5小时，炉温低于300℃开始升温，小于70℃/h速度升温，以小于50℃/h速度降温，降到200℃出炉空冷；
(6)工件的清洗：检查没有毛刺，用工业洗涤剂清洗；
(7)离子氮化的装炉：配炉、工件摆放合理、辅助阴阳极没有设置；
(8)离子氮化处理：采用变温四段离子氮化工艺，相关工艺参数如表1所示，当第四段离子氮化保温结束后，炉冷降温到200℃出炉空冷；
(9)离子氮化的渗层检验：腐蚀试剂用马氏试剂，检验了渗层厚度、表面硬度、表面脆性、脉状氮化物、表面疏松等，渗氮层厚度检验采用了金相法和硬度梯度法，硬法的界限值HV+50，检验结果如表2所示。
对比例1
与实施例1不同之处在于：步骤(4)HB283；步骤(8)是常规离子氮化工艺，520℃保温35小时。
参见图2，是实施例1提供的放大50倍的渗氮层厚度金相检验照片，参见图3，是对比例1提供的放大50倍的渗氮层厚度金相检验照片，实施例1与对比例1离子氮化处理后的31CrMoV9齿轮经测试得到的渗层性能如表2所示，其中实施例1的渗氮层厚度明显高于对比例1的渗层厚度，高出(0.9-0.60)/0.60＝50％，参见图4，通过实施例1与对比例1的硬度梯度曲线比较也可以看出，实施例1的硬度梯度曲线更加平缓。从实际应用的角度渗层厚度增加的更多，大约增加了95％，脆性和表面疏松均为一级，参见图5，实施例1提供的放大500倍的渗层组织金相照片，其脉状氮化物评定为2级，对于重要的齿轮工件都是合格的。美中不足的是表面硬度略低于对比例1的，但数值低的不多、也很高，完全能够满足使用的要求。
表1、实施例1的离子氮化工艺参数
表2、实施例1与对比例1的渗层性能
实施例2
透平压缩机用31CrMoV9齿轮材料，其化学成分：C:0.337wt.％；Si：0.32wt.％；Mn：0.57wt.％；Cr：2.49wt.％；Mo：0.19wt.％；S：0.027wt.％；P：0.005wt.％；V：0.13wt.％；Ni:0.11wt.％；Cu:0.07wt.％；W:0.010wt.％；Fe：余量对其进行离子氮化热处理，包括以下步骤：
(1)正火处理：910℃X3小时，炉温低于500℃开始升温，小于100℃/h速度升温，保温结束后出炉空冷，空冷时散放；
(2)淬火处理：910℃X3小时，炉温低于500℃开始升温，小于100℃/h速度升温，保温结束后水基淬火液冷却100秒后转油冷；
(3)回火处理：610℃X5小时，炉温低于350℃开始升温，小于70℃/h速度升温，然后空冷；
(4)处理后检验：处理后工件的硬度为HB332；
(5)稳定处理：580℃X5小时，炉温低于300℃开始升温，小于70℃/h速度升温，以小于50℃/h速度降温，降到200℃出炉空冷；
(6)工件的清洗：检查没有毛刺，用工业洗涤剂清洗；
(7)离子氮化的装炉：配炉、工件摆放合理、辅助阴阳极没有设置；
(8)离子氮化处理：采用变温四段离子氮化工艺，相关工艺参数如表3所示，当第四段离子氮化保温结束后，炉冷降温到200℃出炉空冷；
(9)离子氮化的渗层检验：腐蚀试剂用马氏试剂，检验了渗层厚度、表面硬度、表面脆性、脉状氮化物、表面疏松等，渗氮层厚度检验采用了金相法和硬度梯度法，硬法的界限值HV+50，检验结果如表4所示。
对比例2
与实施例2不同之处在于：步骤(1)预备热处理后HB280；步骤(4)是常规离子氮化工艺，520℃保温30小时；
参见图6，是实施例2提供的放大100倍的渗氮层厚度金相检验照片，参见图7，是对比例2提供的放大100倍的渗氮层厚度金相检验照片，实施例2与对比例2离子氮化处理后的31CrMoV9齿轮经测试得到的渗层性能如表4所示，其中实施例2的渗氮层厚度明显高于对比例2的渗层厚度，高出(0.9-0.45)/0.45＝100％，参见图8，通过实施例2与对比例2的硬度梯度曲线比较也可以看出，实施例2的硬度梯度曲线更加平缓。从实际应用的角度渗层厚度增加的更多，大约增加了95％，脆性和表面疏松均为一级，参见图9，实施例2提供的放大500倍的渗层组织金相照片，其脉状氮化物评定为2级，对于重要的齿轮工件都是合格的。美中不足的是表面硬度略低于对比例2的，但数值低的不多、也很高，完全能够满足使用的要求。
表3、实施例2的离子氮化工艺参数
表4、实施例2、对比例2的渗层性能
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种31CrMoV9齿轮的深层离子氮化工艺，其特征在于，包括以下步骤：
正火处理：正火温度910℃，炉温低于500℃装炉，按不高于每小时100℃的速度升温，保温时间按“有效厚度/40mm”小时计算，然后空冷，要求散放；
淬火处理：淬火温度910℃，炉温低于500℃装炉，按不高于每小时100℃的速度升温，保温时间按“有效厚度/40mm”小时计算，然后水基淬火液冷却后转油冷，所述水基淬火液冷却的时间按有效厚度每毫米0.8秒计算；
回火处理：回火温度610℃±10℃，炉温350℃以下装炉，按不高于每小时70℃的速度升温，保温时间按“1.5倍淬火保温时间”计算，然后空冷；
稳定处理：稳定处理温度580℃，炉温300℃以下装炉，按不高于每小时70℃的速度升温，保温时间与回火保温时间相同，冷却以不高于每小时50℃的速度降温，降到200℃出炉空冷；
离子氮化前的清洗：先对工件进行外观质量的检查与处理，然后对工件进行油污的清洗；
离子氮化的装炉：包括对不同工件的配炉、装炉时工件的摆放、以及设置辅助阴阳极辅助加热；
离子氮化处理：采用变温四段离子氮化工艺进行氮化处理，所述变温四段离子氮化工艺是第一段、第二段、第三段和第四段的离子氮化温度分别为510℃、520℃、505℃、515℃，其中，第一段和第二段及第三段和第四段的离子氮化保温时间比均为2：5，总的离子氮化保温时间根据渗氮层厚度要求确定，当第四段离子氮化保温结束后，炉冷降温到200℃以下出炉空冷；
离子氮化的渗层检验：所述离子氮化的渗层检验按GBT11354-2005钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验标准进行，包括对渗层组织的检验和对渗氮层厚度的检验，所述渗层组织的检验包括对渗层厚度、表面硬度、表面脆性、脉状氮化物以及表面疏松度的检验，所述渗氮层厚度的检验采用硬度法检验或金相法检验。
2.根据权利要求1所述的31CrMoV9齿轮的深层离子氮化工艺，其特征在于：所述回火处理中，回火炉设置搅拌风扇，使炉温的均匀性保持在±10℃的范围内。
3.根据权利要求2所述的31CrMoV9齿轮的深层离子氮化工艺，其特征在于：所述回火处理的温度根据31CrMoV9齿轮材料的化学成分、工件的有效尺寸和体积系数、及淬火装炉状况，在610℃±10℃的范围内调整。
4.根据权利要求1所述的31CrMoV9齿轮的深层离子氮化工艺，其特征在于：所述不同工件在配炉时要保证炉温的均匀性，表面积与重量的比值相近的工件在一起配炉；所述装炉时工件的摆放是根据各工件的硬度和厚度要求进行摆放。
5.根据权利要求4所述的31CrMoV9齿轮的深层离子氮化工艺，其特征在于：所述装炉时工件的摆放方法不能使炉温均匀时，通过增设辅助阴阳极，改进炉温的均匀性，达到各工件硬度和厚度要求的温度环境。
6.根据权利要求1所述的31CrMoV9齿轮的深层离子氮化工艺，其特征在于：所述离子氮化处理所用的设备为脉冲离子氮化炉。
7.根据权利要求1所述的31CrMoV9齿轮的深层离子氮化工艺，其特征在于：所述硬度法检验的界限值按GBT11354-2005标准，对于齿轮的渗氮层深度，其界限值以HV400为准。
8.根据权利要求1所述的31CrMoV9齿轮的深层离子氮化工艺，其特征在于：所述31CrMoV9材料的化学成分满足DIN EN10085-2001标准的规定。
9.权利要求1-8任一项所述的31CrMoV9齿轮的深层离子氮化工艺，其特征在于：所述31CrMoV9齿轮的深层离子氮化工艺适用于透平压缩机31CrMoV9离子氮化齿轮。
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