CN108118283A - 一种可提高硬度梯度的表面强化热处理方法 - Google Patents

一种可提高硬度梯度的表面强化热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可提高硬度梯度的表面强化热处理方法，包括以下步骤：分段式升温均温、高碳势强渗、提高温度扩散、分段式降温均温、高温回火、淬火和低温回火，本发明提供的表面强化热处理方法，能够提高零件表面硬度和耐磨性，提高硬度梯度，增加达标硬度深度，同时又有利于获得细小，弥散分布的颗粒状碳化物，提升零件综合力学性能，且缩短热处理时间，提高生产效率，降低能耗。

Description

一种可提高硬度梯度的表面强化热处理方法
技术领域
本发明属于热处理技术领域，特别涉及一种可提高硬度梯度的表面强化热处理方法。
背景技术
金属材料表面强化的手段非常丰富，其中，渗碳淬火是金属材料常见的一种热处理工艺，它可以使渗过碳的工件表面获得很高的硬度，耐磨性和接触疲劳强度。同时，工件心部碳浓度保持不变，保持良好的韧性。此外，由于表层和心部的马氏体转变量和含碳量不同，还会在表层形成有利的残余压应力，提高钢的弯曲疲劳强度。机械机构中对硬度和耐磨性要求高的重要零件，尤其在轨道车辆、汽车、船舶中应用的钢件和齿轮件很多都经过渗碳淬火处理。
经过渗碳淬火后，工件表面硬度提高，耐磨性增强，可满足大载荷、大冲击力的使用环境要求，具有更高安全性能。目前，常用的渗碳淬火方法步骤可归纳为：进炉后升温升碳势至930±10℃进入强渗阶段，强渗指定时间后恒温降低碳势至扩散阶段，根据材料的特点，强渗碳势CP通常控制在1.00-1.15％，扩散碳势CP控制在0.65-0.85％，扩散指定时间后降温出炉并空冷，再进回火炉650±10℃高温回火，高温回火后重新加热至820±20℃，保温一定时间后出炉淬火，淬火后160-220℃低温回火。
上述常用渗碳淬火热处理方法能够合理控制残余奥氏体含量，获得较细小碳化物，但存在以下不足：
1、渗碳阶段碳势偏低，奥氏体中碳含量低，碳浓度梯度低，热处理后工件表面硬度不足，且硬度梯度较低，达标硬度值深度过浅，常见问题是工件热处理后检验表面硬度合格，但经过后续表面机加工后硬度不足，耐磨性差；
2、整体渗碳阶段温度恒定，为了提高热处理后硬度而单纯提高碳势易导致形成大块状或网络状碳化物，使零件性能严重下降；
3、渗碳处理温度恒定，生产周期长，生产效率偏低，成本较高。为了解决以上问题，有必要开发一种新的能够获得更高表面硬度和硬度梯度且组织合格的表面强化热处理方法。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种可提高硬度梯度的表面强化热处理方法，该方法在保证碳化物细小弥散分布的前提下，提高零件热处理后表面硬度并提高硬度梯度，获得更深达标硬度深度，使得经过机加工后的零件表面依然具有高硬度和耐磨性；且不增加或减少总处理时间。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种可提高硬度梯度的表面强化热处理方法，包括以下步骤：
S01、分段式升温均温，将零件置于加热炉内加热至650±10℃，保温2-3h，继续加热至850±10℃，保温2-3h；
S02、高碳势强渗，零件继续随加热炉加热至930±20℃，向加热炉内通入渗碳剂渗碳，碳势CP控制在1.05-1.30C％，渗碳时间10-30h；
S03、提高温度扩散，步骤S02结束后，提高加热炉炉温至940±20℃，碳势CP降低至0.75-1.00C％进入扩散阶段，扩散时间3-8h；
S04、分段式降温均温，步骤S03结束后，降低加热炉炉温，零件随加热炉降温至850±10℃，保温时间2-3h，出炉空冷至室温；
S05、高温回火，将零件放到回火炉中加热至650±10℃，保温5-6h，出炉空冷至室温；
S06、淬火，零件置于加热炉内加热至810±20℃，保温3-4h，控制碳势CP在0.70-0.80C％，然后进行油淬；
S07、低温回火，步骤S06结束后，零件置于回火炉中加热至160-220℃进行低温回火，保温时间为10-20h，回火后出炉空冷至室温。
进一步的，所述步骤S02、S03和S06中通入的渗碳剂为甲醇、乙醇、异丙醇、乙烷、丙烷和醋酸乙酯中的一种或几种。
进一步的，所述步骤S02、S03和S06中碳势CP通过调节渗碳剂的流量控制。
进一步的，所述步骤S06中油淬的油温为55-65℃。
进一步的，所述步骤S06和S07之间还包括清洗步骤，去除零件表面淬火油渍。
进一步的，所述清洗步骤中清洗剂的温度为70-80℃。
进一步的，所述步骤S02中渗碳时间t强渗与步骤S03中的扩散时间t扩散之和为总渗碳时间t渗碳，总渗碳时间t渗碳＝(δ/K)2，其中：δ为渗层深度(mm)，K为渗碳温度系数。
进一步的，当要求渗层深度(mm)较大，一次步骤S02和S03无法达到要求渗层深度时，第一次步骤S02和S03结束后，进行第二次步骤S02和S03。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、与目前常用热处理方法相比较，本发明强渗阶段及扩散阶段碳势CP各提高0.1-0.2C％，从而提高渗碳层中奥氏体碳浓度，使热处理后渗层得到超高碳马氏体，从而获得更高表面硬度和更深达标硬度深度，硬度梯度提高，即使零件表面经过后续机加工，依然具有高硬度和耐磨性，具有更高性能，经实际生产统计，应用本方法后表面硬度可以稳定提高1-2HRC且达标硬度深度可较常规工艺增加一倍以上。
2、本发明扩散段较强渗段温度提高，碳势降低，可以使得强渗阶段因碳势较高而形成的碳化物在扩散段更高温度条件下得到溶解，保证热处理后获得细小弥散分布的碳化物，提高零件综合力学性能，且扩散段短时高温，可以同时加快扩散进程而晶粒度不受影响，缩短扩散时间及总时间，提高生产效率。
3、本发明方法热处理后获得的渗层碳浓度高，相应淬火段温度设计较常规工艺降低，可以有效减少淬火后残余奥氏体含量，进一步提高表面硬度和硬度梯度。
4、通过调整强渗、扩散时间以及改变强渗与扩散循环次数，调整渗碳层深，该工艺方法广泛适用于不同材料和层深要求的零件。
附图说明
图1是本发明中热处理方法的进程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
实施例1
一种可提高硬度梯度的表面强化热处理方法，包括以下步骤：
S01、分段式升温均温，将零件置于加热炉内加热至640℃，保温2-3h，继续加热至840℃，保温2h；
S02、高碳势强渗，零件继续随加热炉加热至910℃，向加热炉内通入渗碳剂渗碳，碳势CP控制在1.05C％，渗碳时间10h；
S03、提高温度扩散，步骤S02结束后，提高加热炉炉温至920℃，碳势CP降低至0.75C％进入扩散阶段，扩散时间3h；
S04、分段式降温均温，步骤S03结束后，降低加热炉炉温，零件随加热炉降温至840℃，保温时间2h，出炉空冷至室温；
S05、高温回火，将零件放到回火炉中加热至640℃，保温5h，出炉空冷至室温；
S06、淬火，零件置于加热炉内加热至790℃，保温3h，控制碳势CP在0.70C％，然后进行油淬，油淬的油温为55℃；
S07、低温回火，步骤S06结束后，零件置于回火炉中加热至160℃进行低温回火，保温时间为10h，回火后出炉空冷至室温。
所述步骤S02、S03和S06中通入的渗碳剂为甲醇和丙烷，即渗碳气氛中的载气为氮气和甲醇，氮气和甲醇的体积比为1:1.1，富化气选用丙烷。
实施例2
一种可提高硬度梯度的表面强化热处理方法，包括以下步骤：
S01、分段式升温均温，将零件置于加热炉内加热至650℃，保温2.5h，继续加热至850℃，保温2.5h；
S02、高碳势强渗，零件继续随加热炉加热至930℃，向加热炉内通入渗碳剂渗碳，碳势CP控制在1.15C％，渗碳时间20h；
S03、提高温度扩散，步骤S02结束后，提高加热炉炉温至940℃，碳势CP降低至0.85C％进入扩散阶段，扩散时间5h；
S04、分段式降温均温，步骤S03结束后，降低加热炉炉温，零件随加热炉降温至850℃，保温时间2.5h，出炉空冷至室温；
S05、高温回火，将零件放到回火炉中加热至650℃，保温5.5h，出炉空冷至室温；
S06、淬火，零件置于加热炉内加热至810℃，保温3.5h，控制碳势CP在0.75C％，然后进行油淬，油淬的油温为60℃；
S07、低温回火，步骤S06结束后，零件置于回火炉中加热至190℃进行低温回火，保温时间为15h，回火后出炉空冷至室温。
所述步骤S02、S03和S06中通入的渗碳剂为甲醇和丙烷，即渗碳气氛中的载气为氮气和甲醇，氮气和甲醇的体积比为1:1.1，，富化气选用丙烷。
实施例3
一种可提高硬度梯度的表面强化热处理方法，包括以下步骤：
S01、分段式升温均温，将零件置于加热炉内加热至660℃，保温3h，继续加热至860℃，保温3h；
S02、高碳势强渗，零件继续随加热炉加热至950℃，向加热炉内通入渗碳剂渗碳，碳势CP控制在1.30C％，渗碳时间30h；
S03、提高温度扩散，步骤S02结束后，提高加热炉炉温至960℃，碳势CP降低至1.00C％进入扩散阶段，扩散时间8h；
S04、分段式降温均温，步骤S03结束后，降低加热炉炉温，零件随加热炉降温至860℃，保温时间3h，出炉空冷至室温；
S05、高温回火，将零件放到回火炉中加热至660℃，保温6h，出炉空冷至室温；
S06、淬火，零件置于加热炉内加热至830℃，保温4h，控制碳势CP在0.80C％，然后进行油淬，油淬的油温为65℃；
S07、低温回火，步骤S06结束后，零件置于回火炉中加热至220℃进行低温回火，保温时间为20h，回火后出炉空冷至室温。
所述步骤S02、S03和S06中通入的渗碳剂为甲醇和丙烷，即渗碳气氛中的载气为氮气和甲醇，氮气和甲醇的体积比为1:1.1，富化气选用丙烷。
实施例4
一种可提高硬度梯度的表面强化热处理方法，包括以下步骤：
S01、分段式升温均温，将零件置于加热炉内加热至650℃，保温2.5h，继续加热至850℃，保温2.5h；
S02、高碳势强渗，零件继续随加热炉加热至930℃，向加热炉内通入渗碳剂渗碳，碳势CP控制在1.15C％，渗碳时间20h；
S03、提高温度扩散，步骤S02结束后，提高加热炉炉温至940℃，碳势CP降低至0.85C％进入扩散阶段，扩散时间5h；
重复步骤S2和S3，再进入步骤S04；
S04、分段式降温均温，步骤S03结束后，降低加热炉炉温，零件随加热炉降温至850℃，保温时间2.5h，出炉空冷至室温；
S05、高温回火，将零件放到回火炉中加热至650℃，保温5.5h，出炉空冷至室温；
S06、淬火，零件置于加热炉内加热至810℃，保温3.5h，控制碳势CP在0.75C％，然后进行油淬，油淬的油温为60℃；
步骤S06结束后，将零件浸入清洗剂中清洗，去除零件表面淬火油渍，清洗剂的温度为70℃；
S07、低温回火，零件清洗后，再置于回火炉中加热至190℃进行低温回火，保温时间为15h，回火后出炉空冷至室温。
所述步骤S02、S03和S06中通入的渗碳剂为甲醇和异丙醇，即渗碳气氛中的载气为氮气和甲醇，氮气和甲醇的体积比为1:1.1，富化气选用异丙醇。
所述步骤S02中渗碳时间t强渗与步骤S03中的扩散时间t扩散之和为总渗碳时间t渗碳，总渗碳时间t渗碳＝(δ/K)2，其中：δ为渗层深度(mm)，K为渗碳温度系数。
实施例5
一种可提高硬度梯度的表面强化热处理方法，包括以下步骤：
S01、分段式升温均温，将零件置于加热炉内加热至650℃，保温2.5h，继续加热至850℃，保温2.5h；
S02、高碳势强渗，零件继续随加热炉加热至930℃，向加热炉内通入渗碳剂渗碳，碳势CP控制在1.15C％，渗碳时间20h；
S03、提高温度扩散，步骤S02结束后，提高加热炉炉温至940℃，碳势CP降低至0.85C％进入扩散阶段，扩散时间5h；
重复步骤S2和S3，再进入步骤S04；
S04、分段式降温均温，步骤S03结束后，降低加热炉炉温，零件随加热炉降温至850℃，保温时间2.5h，出炉空冷至室温；
S05、高温回火，将零件放到回火炉中加热至650℃，保温5.5h，出炉空冷至室温；
S06、淬火，零件置于加热炉内加热至810℃，保温3.5h，控制碳势CP在0.75C％，然后进行油淬，油淬的油温为60℃；
步骤S06结束后，将零件浸入清洗剂中清洗，去除零件表面淬火油渍，清洗剂的温度为75℃；
S07、低温回火，零件清洗后，再置于回火炉中加热至190℃进行低温回火，保温时间为15h，回火后出炉空冷至室温。
所述步骤S02、S03和S06中通入的渗碳剂为甲醇和异丙醇，即渗碳气氛中的载气为氮气和甲醇，氮气和甲醇的体积比为1:1.1，富化气选用异丙醇。
所述步骤S02中渗碳时间t强渗与步骤S03中的扩散时间t扩散之和为总渗碳时间t渗碳，总渗碳时间t渗碳＝(δ/K)2，其中：δ为渗层深度(mm)，K为渗碳温度系数。
实施例6
一种可提高硬度梯度的表面强化热处理方法，包括以下步骤：
S01、分段式升温均温，将零件置于加热炉内加热至650℃，保温2.5h，继续加热至850℃，保温2.5h；
S02、高碳势强渗，零件继续随加热炉加热至930℃，向加热炉内通入渗碳剂渗碳，碳势CP控制在1.15C％，渗碳时间20h；
S03、提高温度扩散，步骤S02结束后，提高加热炉炉温至940℃，碳势CP降低至0.85C％进入扩散阶段，扩散时间5h；
重复步骤S2和S3，再进入步骤S04；
S04、分段式降温均温，步骤S03结束后，降低加热炉炉温，零件随加热炉降温至850℃，保温时间2.5h，出炉空冷至室温；
S05、高温回火，将零件放到回火炉中加热至650℃，保温5.5h，出炉空冷至室温；
S06、淬火，零件置于加热炉内加热至810℃，保温3.5h，控制碳势CP在0.75C％，然后进行油淬，油淬的油温为60℃；
步骤S06结束后，将零件浸入清洗剂中清洗，去除零件表面淬火油渍，清洗剂的温度为80℃；
S07、低温回火，零件清洗后，再置于回火炉中加热至190℃进行低温回火，保温时间为15h，回火后出炉空冷至室温。
所述步骤S02、S03和S06中通入的渗碳剂为甲醇和乙烷，即渗碳气氛中的载气为氮气和甲醇，氮气和甲醇的体积比为1:1.1，富化气选用乙烷。
所述步骤S02中渗碳时间t强渗与步骤S03中的扩散时间t扩散之和为总渗碳时间t渗碳，总渗碳时间t渗碳＝(δ/K)2，其中：δ为渗层深度(mm)，K为渗碳温度系数。
实施例7
一种可提高硬度梯度的表面强化热处理方法，包括以下步骤：
S01、分段式升温均温，将零件置于加热炉内加热至650℃，保温2.5h，继续加热至850℃，保温2.5h；
S02、高碳势强渗，零件继续随加热炉加热至930℃，向加热炉内通入渗碳剂渗碳，碳势CP控制在1.15C％，渗碳时间20h；
S03、提高温度扩散，步骤S02结束后，提高加热炉炉温至940℃，碳势CP降低至0.85C％进入扩散阶段，扩散时间5h；
S04、分段式降温均温，步骤S03结束后，降低加热炉炉温，零件随加热炉降温至850℃，保温时间2.5h，出炉空冷至室温；
S05、高温回火，将零件放到回火炉中加热至650℃，保温5.5h，出炉空冷至室温；
S06、淬火，零件置于加热炉内加热至810℃，保温3.5h，控制碳势CP在0.75C％，然后进行油淬，油淬的油温为60℃；
S07、低温回火，步骤S06结束后，零件置于回火炉中加热至190℃进行低温回火，保温时间为15h，回火后出炉空冷至室温。
所述步骤S02、S03和S06中通入的渗碳剂为乙醇和异丙醇，即渗碳气氛中的载气为氮气和乙醇，氮气和乙醇的体积比为1:1.1，富化气选用异丙醇。
应用本发明方法对18CrNiMo7-6钢制零件进行渗碳淬火处理，渗碳气氛中的载气为氮气和甲醇，富化气选用丙烷，具体实施例及效果见表1所示：
表1
本发明中的热处理方法根据材料的特点，将步骤S02和S03中的碳势各提高0.1-0.2C％，从而提高渗碳层中奥氏体碳浓度，使热处理后渗层得到超高碳马氏体，从而获得更高表面硬度和更深达标硬度深度。
步骤S02中的温度为930±20℃，步骤S03中的温度为940±20℃，可使高碳势强渗阶段因碳势高而形成的碳化物在扩散段更高温度条件下得到溶解，保证热处理后获得细小弥散分布的碳化物，提高零件综合力学性能，且扩散阶段短时高温，可以同时加快扩散进程而晶粒度不受影响。
由于本发明中渗碳后获得的渗层碳浓度较常规工艺高约0.1％，相应步骤S06中的淬火温度较常规工艺降低10-20℃，可以有效减少淬火后残余奥氏体含量，进一步提高表面硬度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种可提高硬度梯度的表面强化热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01、分段式升温均温，将零件置于加热炉内加热至650±10℃，保温2-3h，继续加热至850±10℃，保温2-3h；
S02、高碳势强渗，零件继续随加热炉加热至930±20℃，向加热炉内通入渗碳剂渗碳，碳势CP控制在1.05-1.30C%，渗碳时间10-30h；
S03、提高温度扩散，步骤S02结束后，提高加热炉炉温至940±20℃，碳势CP降低至0.75-1.00C%进入扩散阶段，扩散时间3-8h；
S04、分段式降温均温，步骤S03结束后，降低加热炉炉温，零件随加热炉降温至850±10℃，保温时间2-3h，出炉空冷至室温；
S05、高温回火，将零件放到回火炉中加热至650±10℃，保温5-6h，出炉空冷至室温；
S06、淬火，零件置于加热炉内加热至810±20℃，保温3-4h，控制碳势CP在0.70-0.80C%，然后进行油淬；
S07、低温回火，步骤S06结束后，零件置于回火炉中加热至160-220℃进行低温回火，保温时间为10-20h，回火后出炉空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的可提高硬度梯度的表面强化热处理方法，其特征在于，所述步骤S02 、S03和S06中碳势CP通过调节渗碳剂的流量控制。
3.根据权利要求2所述的可提高硬度梯度的表面强化热处理方法，其特征在于，所述步骤S02、 S03和S06中通入的渗碳剂为甲醇、乙醇、异丙醇、乙烷和丙烷中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的可提高硬度梯度的表面强化热处理方法，其特征在于，所述步骤S06中油淬的油温为55-65℃。
5.根据权利要求1所述的可提高硬度梯度的表面强化热处理方法，其特征在于，所述步骤S06和S07之间还包括清洗步骤，去除零件表面淬火油渍。
6.根据权利要求5所述的可提高硬度梯度的表面强化热处理方法，其特征在于，所述清洗步骤中清洗剂的温度为70-80℃。
7.根据权利要求1所述的可提高硬度梯度的表面强化热处理方法，其特征在于，所述步骤S02中渗碳时间t强渗与步骤S03中的扩散时间t扩散之和为总渗碳时间t渗碳，总渗碳时间t渗碳=（δ/K）2，其中：δ为渗层深度，K为渗碳温度系数。
8.根据权利要求1所述的可提高硬度梯度的表面强化热处理方法，其特征在于，当要求渗层深度大，一次步骤S02和S03无法达到要求渗层深度时，第一次步骤S02和S03结束后，进行第二次步骤S02和S03。
CN201711418477.1A 2017-12-25 2017-12-25 一种可提高硬度梯度的表面强化热处理方法 Pending CN108118283A (zh)

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