CN109881144A - 一种煤矿机械轴承用钢材的表面氮碳共渗热处理工艺 - Google Patents

一种煤矿机械轴承用钢材的表面氮碳共渗热处理工艺 Download PDF

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夏虹
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Abstract

本发明公开一种煤矿机械轴承用钢材的表面氮碳共渗热处理工艺，包括以下步骤：S1：预处理：将钢材工件浸入除锈清洁液，双频超声处理10‑15min；S2：预热：以15℃/min的速率升温至340‑380℃，保温25‑35min；S3：盐浴氮碳共渗：将钢材工件放入盐浴氮碳共渗剂中，控制盐浴温度为450‑500℃、盐浴时间为40‑50min；所述盐浴氮碳共渗剂包括以下质量比组分：尿素25‑45％、甘氨酸钠25‑35％、氰酸钾16‑20％、碳酸钠11‑15％、氟化钾1‑2％、硫脲2‑3％；S4：气相氮碳共渗：500‑550℃通入NH3和CO2，反应2.5‑3h；S5：热处理。本发明工艺处理后的轴承钢具有优异的耐磨性、抗腐蚀性和抗疲劳性能，所形成的渗层，由内到外分为氧化物层、疏松层、氮碳化合物层、奥氏体层、贝氏体层。

Description

一种煤矿机械轴承用钢材的表面氮碳共渗热处理工艺
技术领域
本发明属于煤矿机械设备领域，还涉及钢材热处理技术领域，具体涉及一种煤矿机械轴承用钢材的表面氮碳共渗热处理工艺。
背景技术
煤矿机械是专门用于煤矿开采的机械，主要用于煤矿的采掘、支护、运输、洗选等生产过程，我国作为煤炭第一生产大国，煤矿机械的应用在我国煤炭化工的发展历史中具有里程碑式的重要意义，提高了煤炭的生产效率和品质。
煤矿机械轴承在运转时，会产生极高的交变应力，同时由于滚珠与钢圈的接触面积很小，造成应力高度集中，滚珠转动或滑动过程中，还会产生较大的摩擦力，因此，用于制造机械轴承的钢材必须具有极高的硬度和耐磨强度，为了提高轴承的表面润滑性，降低工作时产生的摩擦阻力，必须施用润滑剂，加之轴承长期暴露在空气中，因此，对轴承钢材的耐腐蚀性也有一定的要求，避免因润滑剂造成的的化学腐蚀。
碳氮共渗是一种向钢件表面同时渗入碳、氮的化学表面热处理工艺，渗入速度适中，所形成的渗层淬透性、淬硬性和回火抗力高，耐磨性和抗疲劳性能优良。本发明对现有碳氮共渗技术进行改良，提出一种煤矿机械轴承用钢材的表面氮碳共渗热处理工艺，以提高轴承钢的耐磨性和抗疲劳性。
发明内容
针对现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种煤矿机械轴承用钢材的表面氮碳共渗热处理工艺。
本发明的技术方案概述如下：
一种煤矿机械轴承用钢材的表面氮碳共渗热处理工艺，包括以下步骤：
S1：预处理：将钢材工件浸入除锈清洁液，双频超声处理10-15min，去除表面油渍和锈斑，用蒸馏水冲洗3次后，120-130℃快速烘干；
S2：预热：将钢材工件放入预热炉内，以15℃/min的速率升温至340-380℃，保温25-35min，使其充分均匀预热；
S3：盐浴氮碳共渗：将钢材工件放入盐浴氮碳共渗剂中，控制盐浴温度为450-500℃、盐浴时间为40-50min，使工件表面原位生长出一层渗氮渗碳膜；
所述盐浴氮碳共渗剂包括以下质量比组分：尿素25-45％、甘氨酸钠25-35％、氰酸钾16-20％、碳酸钠11-15％、氟化钾1-2％、硫脲2-3％；
S4：气相氮碳共渗：清洗、烘干盐浴后钢材工件后，放于氮化炉中，控制氮化炉温度为500-550℃，向其中持续性通入NH3和CO2，NH3流量为6-12m3/h，CO2流量为0.5-2m3/h，反应2.5-3h，形成第二层渗氮渗碳膜；
S5：热处理：向氮化炉通入氩气(Ar)，排出反应剩余NH3和CO2，继续加热氮化炉至650-680℃，保温2-3h,形成奥氏体层，再水淬使工件迅速降温至160-210℃，保温6-14h，进行等温时效处理，形成贝氏体耐磨层，冷却、抛光、涂油后，完成氮碳共渗热处理工序。
优选的是，所述除锈清洁液包括以下质量比组分：甲酸3-6％、丹宁酸2-4％、椰油酰谷氨酸4-6％、十二烷基磺酸钠0.5-1％、六亚甲基四胺1-2％、余量为水。
优选的是，所述双频超声处理的频率分别为20-25KHz、60-70KHz。本发明的有益效果：
(1)本发明工艺依次对轴承钢进行盐浴氮碳共渗处理、气相氮碳共渗处理、奥氏体化处理、等温时效处理，形成的渗层由内到外分为氧化物层、疏松层、氮碳化合物层、奥氏体层、贝氏体层，且疏松层极浅，厚度≤5.4μm，明显提高了轴承钢表面硬度、耐磨性、抗腐蚀性和抗疲劳性能，降低摩擦系数，延长使用寿命。
(2)本发明预清洗处理是为了清除钢件表面锈斑和油污，防止油污影响碳氮共渗氛围中的碳含量，保证热处理工艺的效果。
(3)本发明先利用盐浴氮碳共渗处理方法在钢件表面富集氮元素和碳元素，渗层生长速度较快，形成较为粗大的活性网状碳化物和氮化物，以提高钢件表面硬度和耐冲击强度，再利用气相氮碳共渗处理方法使氮元素和碳元素深入扩散，弥补盐浴渗层的网孔，并在盐浴渗层表面再次生长亚微米级碳化物和氮化物，提高渗层结构强度和钢件表面自润滑性，进而降低摩擦系数。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
实施例1
一种煤矿机械轴承用钢材的表面氮碳共渗热处理工艺，包括以下步骤：
S1：预处理：将10号钢材工件浸入除锈清洁液，双频超声处理10min，双频超声处理的频率分别为20KHz、60KHz，去除表面油渍和锈斑，用蒸馏水冲洗3次后，120℃快速烘干；
所述除锈清洁液包括以下质量比组分：甲酸3％、丹宁酸2％、椰油酰谷氨酸4％、十二烷基磺酸钠0.5％、六亚甲基四胺1％、水89.5％；
S2：预热：将钢材工件放入预热炉内，以15℃/min的速率升温至340℃，保温25min，使其充分均匀预热；
S3：盐浴氮碳共渗：将钢材工件放入盐浴氮碳共渗剂中，控制盐浴温度为450℃、盐浴时间为40min，使工件表面原位生长出一层渗氮渗碳膜；
所述盐浴氮碳共渗剂包括以下质量比组分：尿素45％、甘氨酸钠25％、氰酸钾16％、碳酸钠11％、氟化钾1％、硫脲2％；
S4：气相氮碳共渗：清洗、烘干盐浴后钢材工件后，放于氮化炉中，控制氮化炉温度为500℃，向其中持续性通入NH3和CO2，NH3流量为6m3/h，CO2流量为0.5m3/h，反应2.5h，形成第二层渗氮渗碳膜；
S5：热处理：向氮化炉通入氩气(Ar)，排出反应剩余NH3和CO2，继续加热氮化炉至650℃，保温2h,形成奥氏体层，再水淬使工件迅速降温至160℃，保温6h，进行等温时效处理，形成贝氏体耐磨层，冷却、抛光、涂油后，完成氮碳共渗热处理工序。
相比于未经氮碳共渗热处理的10号钢材，表面硬度提高18.4％，使用寿命延长52d,渗层总厚度为63.5μm，疏松层厚度为4.2μm，表面摩擦系数为0.16。
实施例2
一种煤矿机械轴承用钢材的表面氮碳共渗热处理工艺，包括以下步骤：
S1：预处理：将Q235号钢材工件浸入除锈清洁液，双频超声处理12min，双频超声处理的频率分别为23KHz、65KHz，去除表面油渍和锈斑，用蒸馏水冲洗3次后，125℃快速烘干；
所述除锈清洁液包括以下质量比组分：甲酸4.5％、丹宁酸3％、椰油酰谷氨酸5％、十二烷基磺酸钠1％、六亚甲基四胺1.5％、水85％；
S2：预热：将钢材工件放入预热炉内，以15℃/min的速率升温至360℃，保温30min，使其充分均匀预热；
S3：盐浴氮碳共渗：将钢材工件放入盐浴氮碳共渗剂中，控制盐浴温度为480℃、盐浴时间为45min，使工件表面原位生长出一层渗氮渗碳膜；
所述盐浴氮碳共渗剂包括以下质量比组分：尿素35％、甘氨酸钠30％、氰酸钾18％、碳酸钠13％、氟化钾1.5％、硫脲2.5％；
S4：气相氮碳共渗：清洗、烘干盐浴后钢材工件后，放于氮化炉中，控制氮化炉温度为525℃，向其中持续性通入NH3和CO2，NH3流量为9m3/h，CO2流量为1.25m3/h，反应2.5h，形成第二层渗氮渗碳膜；
S5：热处理：向氮化炉通入氩气(Ar)，排出反应剩余NH3和CO2，继续加热氮化炉至665℃，保温2.5h,形成奥氏体层，再水淬使工件迅速降温至185℃，保温10h，进行等温时效处理，形成贝氏体耐磨层，冷却、抛光、涂油后，完成氮碳共渗热处理工序。
相比于未经氮碳共渗热处理的Q235号钢材，表面硬度提高25.8％，使用寿命延长61d,渗层总厚度为82.7μm，疏松层厚度为4.9μm，表面摩擦系数为0.17。
实施例3
一种煤矿机械轴承用钢材的表面氮碳共渗热处理工艺，包括以下步骤：
S1：预处理：将45号钢材工件浸入除锈清洁液，双频超声处理15min，双频超声处理的频率分别为25KHz、70KHz，去除表面油渍和锈斑，用蒸馏水冲洗3次后，130℃快速烘干；
所述除锈清洁液包括以下质量比组分：甲酸6％、丹宁酸4％、椰油酰谷氨酸6％、十二烷基磺酸钠1％、六亚甲基四胺2％、水81％；
S2：预热：将钢材工件放入预热炉内，以15℃/min的速率升温至380℃，保温35min，使其充分均匀预热；
S3：盐浴氮碳共渗：将钢材工件放入盐浴氮碳共渗剂中，控制盐浴温度为500℃、盐浴时间为50min，使工件表面原位生长出一层渗氮渗碳膜；
所述盐浴氮碳共渗剂包括以下质量比组分：尿素25％、甘氨酸钠35％、氰酸钾20％、碳酸钠15％、氟化钾2％、硫脲3％；
S4：气相氮碳共渗：清洗、烘干盐浴后钢材工件后，放于氮化炉中，控制氮化炉温度为550℃，向其中持续性通入NH3和CO2，NH3流量为12m3/h，CO2流量为2m3/h，反应3h，形成第二层渗氮渗碳膜；
S5：热处理：向氮化炉通入氩气(Ar)，排出反应剩余NH3和CO2，继续加热氮化炉至680℃，保温3h,形成奥氏体层，再水淬使工件迅速降温至210℃，保温14h，进行等温时效处理，形成贝氏体耐磨层，冷却、抛光、涂油后，完成氮碳共渗热处理工序。
相比于未经氮碳共渗热处理的45号钢材，表面硬度提高27.2％，使用寿命延长67d,渗层总厚度为87.5μm，疏松层厚度为5.4μm，表面摩擦系数为0.17。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (3)

1.一种煤矿机械轴承用钢材的表面氮碳共渗热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1：预处理：将钢材工件浸入除锈清洁液，双频超声处理10-15min，去除表面油渍和锈斑，用蒸馏水冲洗3次后，120-130℃快速烘干；
S2：预热：将钢材工件放入预热炉内，以15℃/min的速率升温至340-380℃，保温25-35min，使其充分均匀预热；
S3：盐浴氮碳共渗：将钢材工件放入盐浴氮碳共渗剂中，控制盐浴温度为450-500℃、盐浴时间为40-50min，使工件表面原位生长出一层渗氮渗碳膜；
所述盐浴氮碳共渗剂包括以下质量比组分：尿素25-45％、甘氨酸钠25-35％、氰酸钾16-20％、碳酸钠11-15％、氟化钾1-2％、硫脲2-3％；
S4：气相氮碳共渗：清洗、烘干盐浴后钢材工件后，放于氮化炉中，控制氮化炉温度为500-550℃，向其中持续性通入NH3和CO2，NH3流量为6-12m3/h，CO2流量为0.5-2m3/h，反应2.5-3h，形成第二层渗氮渗碳膜；
S5：热处理：向氮化炉通入氩气(Ar)，排出反应剩余NH3和CO2，继续加热氮化炉至650-680℃，保温2-3h,形成奥氏体层，再水淬使工件迅速降温至160-210℃，保温6-14h，进行等温时效处理，形成贝氏体耐磨层，冷却、抛光、涂油后，完成氮碳共渗热处理工序。
2.根据权利要求1所述一种煤矿机械轴承用钢材的表面氮碳共渗热处理工艺，其特征在于，所述除锈清洁液包括以下质量比组分：甲酸3-6％、丹宁酸2-4％、椰油酰谷氨酸4-6％、十二烷基磺酸钠0.5-1％、六亚甲基四胺1-2％、余量为水。
3.根据权利要求1所述一种煤矿机械轴承用钢材的表面氮碳共渗热处理工艺，其特征在于，所述双频超声处理的频率分别为20-25KHz、60-70KHz。
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