CN110306150A - 一种固溶渗氮方法 - Google Patents

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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/24—Nitriding
    • C23C8/26—Nitriding of ferrous surfaces

Abstract

本发明公开了一种固溶渗氮方法，属于热处理领域，包括以下步骤：S1，将低合金钢在封闭环境中加热至750℃～900℃；S2，通入渗氮剂并保温一定时间；S3，快速冷却后回火。本发明方法是适用于多种低碳钢件快速的热处理方法，能够提高钢件表明的硬度和耐磨性，同时有较强的抗回火性能，使零件的心部仍然具有良好的韧性和强度，对冲击载荷有良好的抵抗作用。

Description

一种固溶渗氮方法
技术领域
本发明涉及金属材料热处理领域，尤其涉及一种固溶渗氮方法。
背景技术
钢件表面化学热处理是指通过适当的方法使零件的表层硬化而零件的心部仍然具有强韧性的处理。通过这种处理，可以改善零件的耐磨性以及耐疲劳性，而由于零件的心部仍然具有良好的韧性和强度，因此对冲击载荷有良好的抵抗作用。对于钢件而言，常用的处理方法主要有渗碳、碳氮共渗、渗氮、氮碳共渗等。其中，钢的渗碳就是含碳量较低的钢制零件在渗碳介质(吸热式气氛+丙烷,氮甲醇裂解气+丙烷)中加热到900--950摄氏度的单相奥氏体区，使碳原子渗入表面，获得一定的表面含碳量，在淬火之后，含碳量高的表层硬度很高，而含碳量低的心部硬度低仍具有良好的韧性。目的是使零件获得高的表面硬度、耐磨性以及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。主要用于承受磨损、交变接触应力或者弯曲应力和冲击载荷的零件，如轴、齿轮、凸轮轴等，这些零件要求表面有很高的硬度而心部要有足够的强度和韧性。碳氮共渗是向钢件表面同时渗入碳、氮的化学表面热处理工艺。以渗碳为主，渗入少量氮，处理温度一般在820-870摄氏度。渗氮，是在一定温度下(一般在480-540℃)一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。常见有液体渗氮、气体渗氮、离子渗氮。传统的气体渗氮是把工件放入密封容器中，通以流动的氨气并加热，保温较长时间后，氨气热分解产生活性氮原子，不断吸附到工件表面，并扩散渗入工件表层内，从而改变表层的化学成分和组织，获得优良的表面性能。如果在渗氮过程中同时辅以碳的渗入，则称为氮碳共渗(一般在550-700℃)。
渗碳的缺点是处理温度偏高，热处理后变形较大，深渗层渗碳时间过长，甚至长达几天，抗回火性不足，高温回火时，硬度下降过快；渗氮的缺点是渗速过慢，钢材渗氮后表面硬度的提升，取决于钢材种类，需加入特殊合金元素，如Cr,Mo,W,Al,V等，此类元素价格一般较为昂贵，合金钢即使长时间渗氮后，其抵抗接触载荷的能力依然不足，表层有化合物生成，存在一定脆性
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是开发一种适用于多种钢件快速的热处理方法，能够提高钢件表面的硬度和耐磨性，同时有较强抗回火性能。
为实现上述目的，本发明提供了一种固溶渗氮方法，包括以下步骤：
S1，将低合金钢在封闭环境中加热至750℃～900℃；
S2，通入渗氮剂并保温一定时间；
S3，快速冷却。
进一步地，所述一定时间为30分钟以上。
进一步地，所述步骤S1还包括：
S11，所述低合金钢放入第一室；
S12，排气等待一定时间，所述低合金钢进入第二热室；
S13，加入中性或还原性气体，加温至750℃。
进一步地，所述还原性气体包括氢气或氨裂解气或碳势可控气氛，所述碳势可控气氛为氮甲醇气氛或吸热式气氛。
进一步地，所述低合金钢的铁含量大于93％。
进一步地，所述渗氮剂主要成分为氨气，还可包括氮气或氢气或氨裂解气或碳势可控气氛。
进一步地，步骤S3还包括：
S31，将所述低合金钢浸入油槽中冷却至50℃～150℃，所述油槽中为工业用油；
S32，将所述低合金钢取出，清洗表面油污。
进一步地，所述渗氮剂主要成分为氨气加碳势可控气氛，所述碳势可控气氛为氮甲醇气氛或吸热式气氛，所述碳势可控气氛维持所述低合金钢表面碳势平衡。
进一步地，在所述步骤S3后，对所述低合金钢做回火处理。
进一步地，所述回火的温度在150℃～600℃之间。
本发明使低碳钢包括低碳合金钢固溶渗氮后，表面硬度可达800-900HV，与渗氮相比，无需合金元素的辅助；热处理时间较短，30分钟的保温时间可达到0.1mm的渗层，550HV作为边界硬度检测硬化层，与合金钢渗氮相比，大大节约时间；低合金钢固溶渗氮后有良好的抗高温性能；热处理温度较渗碳低，相比于渗碳而言，变形较小，使零件的心部仍然具有良好的韧性和强度，对冲击载荷有良好的抵抗作用。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例所使用的密封箱式多用炉示意图；
图2是本发明的另一个较佳实施例DC04固溶渗氮后表面金相组织；
图3是本发明的另一个较佳实施例DC04气体渗氮后表面金相组织；
图4是本发明的另一个较佳实施例DC04固溶渗氮及气体渗氮后硬度梯度曲线；
图5是本发明的另一个较佳实施例16MnCr5固溶渗氮不同温度回火后硬度梯度曲线；
图6是本发明的另一个较佳实施例四种工艺下硬度梯度曲线；
图7是本发明的另一个较佳实施例16MnCr5渗碳和固溶渗氮后，不同回火温度下表面硬度对比；
图8是本发明的另一个较佳实施例16MnCr5不同流量不同时间固溶渗氮的硬度对比；
图9是本发明的另一个较佳16MnCr5在30分钟固溶渗氮后硬度梯度曲线。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
实施例1如图1所示，以密封箱式多用炉为例，将低碳合金件，其铁含量大于93％，装炉进入1室，排气等待一定时间，进入热室2在升温过程中，使用中性气体，即保护性气体，或还原性气体如氮气、氢气、氨裂解气或碳势可控气氛，所碳势可控气氛为氮甲醇气氛或吸热式气氛，以保护零件，防止零件氧化脱碳；在保温过程中，只通入氨气或辅助通入氮气+氢气的混合气，也可通入氨气+碳势可控气氛，如氮甲醇气氛或吸热式气氛等，碳势控制仅维持零件表面碳势平衡。保温完成后迅速转移至油槽3内，油槽内有工业用油，快速冷却，冷却到50℃-150℃。出炉后随即清洗回火。回火温度300℃至600℃，有二次硬化效果，具有高温下耐磨的功用。
实施例2，材料DC04在860℃做2h固溶渗氮后，表面硬度可高于800HV1，有效硬化层可达到0.22mm(550HV1).硬度梯度如图4所示；同样材料570℃做6h气体渗氮(辅助通入5％左右CO2)，仅能达到表面硬度200HV1(或480HV0.1，因为硬度提升仅在化合物层内)，且无类似有效硬化层，硬度梯度如图4所示。固溶渗氮后表面形成含氮马氏体，金相组织如图2所示；气体渗氮后表面形成化合物层，一般厚度小于30μm,金相组织如图3所示。
实施例3，材料16MnCr5在860℃做2h固溶渗氮后，表面硬度可高于800HV1，有效硬化层可达到0.32mm(550HV1)。在180℃，350℃，450℃，500℃回火后有效硬化层有一定程度下降，但500℃回火时仍有0.26mm(550HV1)。硬度梯度如图5所示。
实施例4，如图6所示①42CrMo4调质后渗氮，500℃保温5h+540℃保温45h；②16MnCr5正火后渗氮(氮碳共渗)，570℃保温10h；③16MnCr5渗碳后高温回火，880℃渗碳1h+500℃回火2h；④16MnCr5在860℃固溶渗氮2h+500℃回火2h。四种工艺硬度梯度如图6所示。基于③的渗碳工艺和基于④的固溶渗氮工艺，分别在180℃，350℃，450℃，500℃回火，表面硬度如图7所示。由工艺③和④的硬度梯度对比可知，渗碳工艺的渗层在500℃回火时次表层的硬度，已接近400HV，基本已不具备高时状态下的耐磨性，而固溶渗氮仍保持在600HV以上。由不同回火温度下表面硬度，同样可知固溶渗氮具有较高抗回火性，而渗碳则不具备。由工艺②和④的硬度梯度对比可知，低合金钢正火后渗氮可提升表面硬度，但芯部硬度较低。当工件是需要承受较大接触荷的耐磨件时，不如固溶渗氮。由工艺①和④的硬度梯度对比可知，16MnCr5短时固溶渗氮后500℃回火后的硬度梯度与42CrMo4调质后50h渗氮的硬度梯度接近，所以有极大的成本优势。细化两者硬度梯度对比，可知16MnCr5固溶渗氮在次表层硬度较42CrMo4渗氮更高，故耐磨性应该更好；而过渡层的硬度偏低，这一点可以通过工艺调整或选料上做出优化。
实施例5，固溶渗氮后表面硬度如图8所示，材料16MnCr5在860°氨气流量0.1m3/h固溶渗氮30min后，表面硬度540HV1左右；860℃氨气流量0.4m3/h固溶渗氮30min后，表面硬度618HV1左右；860℃氨气流量0.8m3/h固溶渗氮100min后，表面硬度726HV1左右；860℃氨气流量1.4m3/h固溶渗氮120min后，表面硬度814HV1左右；不同流量下，氨气流量越大表面硬度越高。
实施例6，材料16MnCr5在860℃做30min固溶渗氮后，表面硬度可达620HV1，有效硬化层可达到0.1mm(550HV1)。在180℃回火后硬度梯度图9所示。
本工艺是一种新型的渗氮工艺，渗氮剂以氨气为主。在升温过程中，使用中性气体如氮气，或还原性气体如氢气、氨裂解气、氮甲醇气氛、吸热式气氛，保护零件，防止零件氧化脱碳；在保温过程中，只通入氨气或辅助通入氮气+氢气的混合气，也可通入氨气+碳势可控气氛，如氮甲醇气氛或吸热式气氛等，碳势控制仅维持零件表面碳势平衡。工艺温度在750-900℃，传统渗氮或氮碳共渗低于700℃。固溶渗氮后需淬火。低合金钢固溶渗氮后做150℃至600℃回火，有二次硬化效果，具有高温下耐磨的功用。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种固溶渗氮方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将低合金钢在封闭环境中加热至750℃～900℃；
S2，通入渗氮剂并保温一定时间；
S3，快速冷却。
2.如权利要求1所述的固溶渗氮方法，其特征在于，所述一定时间为30分钟以上。
3.如权利要求1所述的固溶渗氮方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：
S11，所述低合金钢放入第一室；
S12，排气等待一定时间，所述低合金钢进入第二热室；
S13，加入中性或还原性气体，加温至750℃。
4.如权利要求3所述的固溶渗氮方法，其特征在于，所述还原性气体包括氢气或氨裂解气或碳势可控气氛，所述碳势可控气氛为氮甲醇气氛或吸热式气氛。
5.如权利要求1所述的固溶渗氮方法，其特征在于，所述低合金钢的铁含量大于93％。
6.如权利要求1所述的固溶渗氮方法，其特征在于，所述渗氮剂主要成分为氨气，还可包括氮气或氢气或氨裂解气或碳势可控气氛。
7.如权利要求1所述的固溶渗氮方法，其特征在于，步骤S3还包括：
S31，将所述低合金钢浸入油槽中冷却至50℃～150℃，所述油槽中为工业用油；
S32，将所述低合金钢取出，清洗表面油污。
8.如权利要求1所述的固溶渗氮方法，其特征在于，所述渗氮剂主要成分为氨气加碳势可控气氛，所述碳势可控气氛为氮甲醇气氛或吸热式气氛，所述碳势可控气氛维持所述低合金钢表面碳势平衡。
9.如权利要求1所述的固溶渗氮方法，其特征在于，在所述步骤S3后，对所述低合金钢做回火处理。
10.如权利要求9所述的固溶渗氮方法，其特征在于，所述回火的温度在150℃～600℃之间。
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