CN108342680A - 薄壁钢件的碳氮共渗方法 - Google Patents

Abstract

一种薄壁钢件的碳氮共渗方法，包括：碳氮共渗步骤，所述碳氮共渗步骤采用的气氛包括丙烷、甲醇和氨气，采用的共渗碳势为1.06±0.03％，采用的共渗温度为870±5℃，采用的共渗时间为300±5min；淬火步骤；回火步骤。所述薄壁钢件的碳氮共渗方法能够提高薄壁钢件的性能，并降低工艺成本。

Description

薄壁钢件的碳氮共渗方法

技术领域

本发明涉及领域金属材料的热处理领域，尤其涉及一种薄壁钢件的碳氮共渗方法。

背景技术

碳氮共渗是向钢件表面同时渗入碳和氮的化学表面热处理工艺。以渗碳为主，渗入少量氮。与渗碳相比，碳氮共渗具有较快的渗入速度，较高的渗层的淬透性和回火抗力，耐磨性和抗疲劳性能好，处理温度较低等优点，因此，碳氮共渗常用来代替渗碳处理。同时，碳氮共渗在一定程度上克服了渗氮层硬度虽高但渗层较浅，而渗碳层虽硬化深度大，但表面硬度较低的缺点。

按共渗介质状态，碳氮共渗分为气体碳氮共渗、液体碳氮共渗及固体碳氮共渗三类。气体碳氮共渗法不用氰盐，容易控制表面质量，可实现机械化、自动化，应用较广泛。

公开号为CN101671767A的中国专利申请，公开了一种单向器齿轮淬火工艺方法，针对单向器齿轮，采用85-825℃的共渗温度，10h的共渗时间，0.75-1.15％的碳势。

然而，这样的工艺对于薄壁钢件并不合适。薄壁钢件由于结构较薄，但相应的机械性能要求却很高。因此，对其进行碳氮共渗，需要特殊处理，否则，难以达到相应的使用要求。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种薄壁钢件的碳氮共渗方法，使变形得以严格控制，以提高薄壁钢件的内在质量和外在质量，满足各种使用要求，并且能够使得共渗时间更短，降低工艺成本。

为解决上述问题，本发明提供了一种薄壁钢件的碳氮共渗方法，包括：碳氮共渗步骤，所述碳氮共渗步骤采用的气氛包括丙烷、甲醇和氨气，采用的共渗碳势为1.06±0.03％，采用的共渗温度为870±5℃，采用的共渗时间为300±5min；淬火步骤；回火步骤。

可选的，在所述碳氮共渗步骤之前，还包括奥氏体化步骤；所述奥氏体化步骤采用的奥氏体化温度为所述共渗温度，采用的奥氏体化碳势为0.8-1.06％，采用的奥氏体化时间为30±3min。

可选的，所述气氛中，丙烷流量为8-13ml/min，甲醇流量为42-48ml/min，氨气流量为4-6ml/min。

可选的，所述淬火步骤开始于所述共渗温度，控制淬火油温于70±5℃，同时进行搅拌。

可选的，所述回火步骤采用的回火温度为180±5℃，采用的回火时间为2±0.5h。

可选的，所述薄壁钢件的材料为20Cr。

可选的，所述薄壁钢件的侧壁厚度范围为2-10mm。

可选的，所述碳氮共渗步骤形成的共渗层厚度为0.5～0.6mm。

可选的，所述薄壁钢件为锚具夹片。

可选的，所述锚具夹片的内表面具有内牙。

本发明的其中一个技术方案中，采取共渗加热温度下限和减短共渗时间的方法，以获得理想的共渗层的组织性能。此方法，不仅保证了共渗层质量，还尽可能地以高共渗速度进行共渗。也就是说，所述方法能够获得较好的内在质量和外在质量的薄壁钢件，在保证薄壁钢件的碳氮共渗金相组织、硬度、变形，以及保证锚具夹片使用不崩牙的质量前提下，节省工时和费用，降低工艺成本，提高工艺效率。

进一步，在碳氮共渗步骤之前，设计奥氏体化步骤(奥氏体化阶段)，能够使得薄壁钢件内外温度均匀化，使碳势从0.8％过度到1.06％，从而为后续碳氮共渗提供了极为有利的条件。经过这样的奥氏体化步骤，确保后续碳氮共渗达到更好的效果。

附图说明

图1是薄壁钢件的立体示意图；

图2是薄壁钢件的剖面示意图；

图3是本发明实施例提供的薄壁钢件的碳氮共渗方法步骤示意图；

图4是采用本发明实施例所提供方法得到的共渗层的金相图。

具体实施方式

现有方法用于对薄壁钢件进行碳氮共渗时，共渗效果并不理想。

薄壁钢件以夹片式锚具(YJM，锚具代码：Y为预应力，J为夹片式，M为锚具)中的锚具夹片为例。夹片式锚具是预应力结构工程使用的预应力锚具类型，它广泛用于大跨度铁路、公路、桥梁、水坝、建筑工程及其它岩土锚固工程。夹片式锚具由锚环、锚具夹片和锚垫板等元件组成。锚具夹片是直接夹持预应力钢铰线的关键元件，其内表面具有内牙。

通常，希望通过碳氮共渗，使锚具夹片表面坚硬、心部强韧、内牙不发生断裂。

然而，由于锚具夹片为小件，侧壁厚度较薄，且内表面的内牙较精细，传统碳氮共渗工艺没有同时解决碳氮共渗夹片的内在组织质量和外在质量问题，达不到客户对锚具夹片碳氮共渗后在金相组织级别，变形，硬度和不崩牙的要求。

为此，本发明提供一种新的薄壁钢件的碳氮共渗方法，以解决上述锚具夹片等薄壁钢件达不到相应使用要求的问题。

为更加清楚的表示，下面结合附图对本发明做详细的说明。

本发明实施例提供一种薄壁钢件的碳氮共渗方法，请结合参考图1至图4。

请参考图1和图2，本实施例具体采用夹片式锚具的锚具夹片100为例，进行碳氮共渗，即本实施例中，薄壁钢件具体为锚具夹片100。锚具夹片100的立体图如图1所示，而图2为沿图1中AA’剖切锚具夹片100得到折剖面示意图。

由图1可以看到，本实施例中，锚具夹片100整体为锥形，且为三片式。

其它实施例中，锚具夹片可以为其它形状。

本实施例中，薄壁钢件的材料为20Cr。

并且，如图2所示，锚具夹片100的最小厚度为T1，最大厚度为T2，本实施例设置最小厚度T1为2.1mm，设置最大厚度T2为8.5mm。其它实施例中，薄壁钢件的侧壁厚度范围可以为2-10mm。对于侧壁为这样厚度范围(2-10mm)的薄壁钢件，对其进行碳氮共渗的难度较大。

本实施例中，锚具夹片100的内表面具有内牙(未示出)。

请参考图3，本实施例中，在碳氮共渗步骤之前，先进行奥氏体化(阶段)步骤10。

奥氏体化步骤10所采用的一些工艺条件可以与后续碳氮共渗步骤所采用的工艺条件相同。具体的，可以采用与后续碳氮共渗步骤相同的气氛。

奥氏体化步骤10采用的奥氏体化温度为共渗温度，采用的奥氏体化碳势为0.8-1.06％，采用的奥氏体化时间为30±3min。

奥氏体化步骤10在密封箱式多用炉生产线上进行，相应的，奥氏体化步骤10和后续碳氮共渗步骤均可以在密封箱式多用炉设备中进行。

本实施例中，作为一个具体选择，设计奥氏体化碳势(即奥氏体化步骤10采用的碳势)，逐渐从0.8％过度到1.06％，此时，碳势是一个逐渐增长的过程。碳势受很多因素影响，包括气氛中各气体组分的分压、炉温、炉内总压力、加热炉的类型和原料气的种类等。本实施例通过上述因此的控制，可以实现对碳势的控制。

本实施例在碳氮共渗步骤之前，设计奥氏体化步骤10(奥氏体化阶段)，能够使得薄壁钢件内外温度均匀化，使碳势从0.8％过度到1.06％，从而为后续碳氮共渗提供了极为有利的条件。经过这样的奥氏体化步骤10，确保后续碳氮共渗达到更好的效果。

请继续参考图3，碳氮共渗步骤20，碳氮共渗步骤20可以在密封箱式多用炉生产线上进行。

碳氮共渗步骤20采用的气氛包括丙烷、甲醇和氨气，采用的共渗碳势为1.06％，采用的共渗温度为870±5℃，采用的共渗时间为300±5min。

本实施例中，采用的共渗碳势选择为1.06±0.03％，如果碳势大于1.06±

0.03％，碳氮共渗步骤20形成的共渗层会出现碳-氮碳化物，而如果碳势太低，低于1.06±0.03％，碳氮共渗速度减慢。

本实施例中，由于前述薄壁钢件的材料选择为20Cr，根据20Cr的材料特性，其完全奥氏体的温度(Ac3，在加热过程中奥氏体完全形成的温度，Thetemperature at whichtransformation of ferrite to austenite is completedduring heating)为838℃，属于亚共析钢，适宜的共渗加热温度一般为Ac3以上30-50℃，共渗加热温度选择AC3以上32℃(±5℃)，即870±5℃，以确保锚具夹片100(薄壁钢件)充分奥氏体化。并且，采用共渗加热温度下限，还主要考虑了锚具夹片100的侧壁厚度只有2-10mm，有利于减小变形。如果共渗温度进一步提高，易引起锚具夹片100变形，而且如果共渗温度进一步提高，会导致奥氏体晶粒粗大，后续淬火步骤后，易出现叶状马氏体组织，也会导致锚具夹片100的变形，以及脆性增加，进而导致锚具夹片100在后续使用过程中，容易产生崩牙开裂。因此，本实施例从材料特性和工件特性考虑，选择共渗温度为870±5℃，保证共渗效果满足渗层厚度要求、获得细化的奥氏体组织，使变形控制在极小的范围。

本实施例中，共渗时间选择为300±5min，综合考虑了共渗层厚度要求、工艺成本控制以及变形量控制等多个方面的因素。本实施例中，希望得到的共渗层厚度在0.5-0.6mm，采用300±5min的共渗时间，能够保证这样的共渗层厚度要求。但如果继续延长共渗时间(例如即便延长到400min)，共渗层的厚度相差不大，然而，相应的时间成本、原料成本和能耗成本均增加。而且，与此同时，共渗时间的增加，还会使奥氏体晶粒长大，易引起锚具夹片100(薄壁钢件)畸变。可见，本实施例将共渗时间控制在300±5min，不仅能够减小变形，而且节省工时、原料和能耗。

本实施例中，碳氮共渗的气氛中，丙烷流量为8-13ml/min，甲醇流量为42-48ml/min，氨气流量为4-6ml/min。

经过上述处理，碳氮共渗步骤20形成的共渗层厚度为0.5～0.6mm。也就是说，本实施例所提供的方法，能够使得薄壁钢件(锚具夹片100)的有效硬化层(共渗层)深度达到0.5-0.6mm，减少碳氮共渗及淬火过程中的变形，防止锚具夹片100在使用过程中出现内牙崩牙的情况。

请继续参考图3，淬火步骤30。

淬火步骤30开始于共渗温度，控制淬火油温于70±5℃，同时进行搅拌。所述搅拌可以为中速搅拌。

淬火后，薄壁钢件(锚具夹片100)的硬度为62-64HRC(洛氏硬度)。

请继续参考图3，回火步骤40。

回火步骤40采用的回火温度为180±5℃，采用的回火时间为2±0.5h。

回火后，薄壁钢件(锚具夹片100)的硬度为60-62HRC。并且，相应的金相组织如图4所示，即图4为采用本实施例所提供方法得到的共渗后锚具夹片100中共渗层的金相图。从图4可以看到，金相组织中为回火马氏体、少量残余奥氏体，以及弥散状少量碳化物。

本实施例所提供的方法，针对传统方法处理薄壁钢件会存在的内在质量和外在变形问题的情况，通过采用共渗加热温度下限和减短共渗时间的方法，以获得理想的共渗层的组织性能。此方法，不仅保证了共渗层质量，还尽可能地以高共渗速度进行共渗。也就是说，所述方法能够使锚具夹片100(薄壁钢件)获得较好的内在质量和外在质量，在保证锚具夹片100的碳氮共渗金相组织、硬度、变形，以及保证锚具夹片100使用不崩牙的质量前提下，节省工时和费用，降低生产成本，提高生产效率。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种薄壁钢件的碳氮共渗方法，其特征在于，包括：

碳氮共渗步骤，所述碳氮共渗步骤采用的气氛包括丙烷、甲醇和氨气，采用的共渗碳势为1.06±0.03％，采用的共渗温度为870±5℃，采用的共渗时间为300±5min；

淬火步骤；

回火步骤。

2.据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述碳氮共渗步骤之前，还包括奥氏体化步骤；所述奥氏体化步骤采用的奥氏体化温度为所述共渗温度，采用的奥氏体化碳势为0.8-1.06％，采用的奥氏体化时间为30±3min。

3.据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述气氛中，丙烷流量为8-13ml/min，甲醇流量为42-48ml/min，氨气流量为4-6ml/min。

4.据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述淬火步骤开始于所述共渗温度，控制淬火油温于70±5℃，同时进行搅拌。

5.据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述回火步骤采用的回火温度为180±5℃，采用的回火时间为2±0.5h。

6.据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述薄壁钢件的材料为20Cr。

7.据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述薄壁钢件的侧壁厚度范围为2-10mm。

8.据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述碳氮共渗步骤形成的共渗层厚度为0.5～0.6mm。

9.据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述薄壁钢件为锚具夹片。

10.据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述锚具夹片的内表面具有内牙。