CN110777322B - 一种合金表面的渗碳方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及合金表面热处理技术领域，具体公开一种合金表面的渗碳方法。所述渗碳方法，利用甲醇和丙烷作为渗碳剂，通过脉冲式气体渗碳方法对合金工件表面进行渗碳；脉冲式气体渗碳过程包括两个脉冲，第一脉冲的渗碳碳势为1.23‑1.27cp，渗碳时间为4050‑4100min，扩散碳势为0.93‑0.97cp，扩散时间为1180‑1220min；第二脉冲的渗碳碳势为1.13‑1.17cp，渗碳时间为2860‑2900min，扩散碳势为0.65‑0.75cp，扩散时间为1000‑1040min。本发明可突破传统渗碳工艺的渗碳层5mm深度的极限，得到碳浓度梯度和硬度梯度平缓的渗层组织，形成理想的硬化层组织。

Description

一种合金表面的渗碳方法
技术领域
本发明涉及合金表面热处理技术领域，尤其涉及一种合金表面的渗碳方法。
背景技术
目前多数的钢铁合金工件的制作过程中，为了提高其使用性能和使用寿命，通常会对其表面进行热处理，达到工件表面硬度高，芯部韧性好的目的，例如，在齿轮的表面进行渗碳处理，来提高齿轮表面的硬度，具体渗碳深度根据齿轮的大小来决定，齿轮越大要求的渗碳层深度越大，渗碳层深度通常是通过控制渗碳时间和渗碳碳势来决定，但是用传统的渗碳方法，可控制的最大渗碳深度为5mm，若渗碳时间继续延长或者简单增加碳势来加深渗碳层深度，则会导致金相组织中表层的碳浓度过度加大，在齿轮表面生成碳化物，影响齿轮的使用，而内部的碳浓度低且分布梯度不均，导致硬化层不均匀，达不到使用要求，且随着渗碳层深度的增加，碳浓度和碳化物的控制也越来越难，对于要求强韧性的重载渗碳工件，尤其是采用含Cr、Ni高合金材料的工件，渗碳表面碳浓度必须控制在0.7-0.8％，碳浓度低时，冷却过程中容易在工件表面生成屈氏体，导致工件长时间工作后，出现断裂情况，因此，对于超大重载齿轮(齿轮的模数超过60Mn)来说，因渗碳层深度的限制，使用过程中齿面容易出现早期剥落，严重影响齿轮的使用寿命；另一方面重载齿轮材料通常是中碳钢42CrMo或者40CrNiMo，热处理工艺上若采用调质加中频感应淬火工艺，则感应淬火时对齿面、齿根以及节圆的感应区会出现硬化层不均匀，无法做到齿顶、齿根、节圆硬化层同时满足技术要求，使用起来齿轮容易打齿，齿面容易出现早期剥落，齿轮寿命低，感应淬火后齿轮的精度难以保证。
发明内容
针对现有渗碳工艺在合金工件表面的渗碳深度有限以及渗碳硬化层的碳浓度分布不均匀导致大型重载工件的表面硬化层易剥落，影响其使用寿命的问题，本发明提供一种合金表面的渗碳方法。
为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：
一种合金表面的渗碳方法，利用甲醇和丙烷作为渗碳剂，通过脉冲式气体渗碳方法对合金工件表面进行渗碳；所述脉冲式气体渗碳过程包括依次进行的第一脉冲和第二脉冲，所述第一脉冲的渗碳碳势为1.23-1.27cp，渗碳时间为4050-4100min，扩散碳势为0.93-0.97cp，扩散时间为1180-1220min；所述第二脉冲的渗碳碳势为1.13-1.17cp，渗碳时间为2860-2900min，扩散碳势为0.65-0.75cp，扩散时间为1000-1040min。
相对于现有技术，本发明提供的合金表面的渗碳方法，甲醇和丙烷作为渗碳剂，通过脉冲式气体渗碳方法对合金工件表面进行渗碳，脉冲式渗碳的好处是让齿轮表面与内部形成碳浓度差，有利于提高活性碳原子的运动速度，提高活性碳原子在渗碳齿轮内部的扩散速度，具有渗碳速度快、工艺稳定性高和可控性强的优点，本发明的脉冲式气体渗碳过程设置两个脉冲，通过控制两个脉冲过程中的渗碳碳势和扩散碳势的大小，以及渗碳时间，可使合金表面的渗碳层深度达到8mm，且得到的渗碳层具有平缓的碳浓度梯度和硬度梯度，同时具有优良的渗层组织，该渗碳方法用于齿轮上，可在齿轮的齿顶、齿面和齿根同时形成理想的硬化层，有利于提高齿轮的内在质量和使用寿命，且该渗碳层深度可满足超大型重载齿轮的渗碳要求，有利于提高齿轮的质量和延长重载齿轮的使用寿命；克服了因工件表面渗碳层深度的加大而导致的渗碳层中碳分布不均和工件表面硬度不均的缺陷以及因渗碳层深度的加大而导致工件表面形成大量的碳化物，对工件造成损坏。
优选的，所述合金工件的材质为高合金低碳钢。
优选的，所述高合金低碳钢中各化学元素的质量含量为：C：0.15-0.20％，Si：≤0.4％，Mn：0.5-0.9％，Ni：1.4-1.7％，P：≤0.02％，S：≤0.025％，Cr：1.5-1.8％，Mo：0.25-0.35％，Al：0.02-0.05％，Cu：≤0.25％，Sn：≤0.03％，Sb：≤0.005％，Ti：≤0.005％，Cu：≤0.25％，N：≤0.006-0.018％，V：≤0.03％。
优选的，所述高合金低碳钢为18CrNiMo7-6材料。
优选的，所述甲醇的流量为2450-2550ml/h；所述丙烷的流量为4-6L/min。
优选的，所述脉冲式气体渗碳方法的渗碳温度为910-930℃。
所述脉冲式气体渗碳过程中，当多个工件同时进行渗碳时，所述工件与工件之间的间隔距离≥30mm。
间隔距离≥30mm，可以保证渗碳时满足炉内气流的循环畅通，确保渗碳均匀性，同时保证后续淬火时油路的畅通，确保齿轮硬度的均匀性。
优选的，所述脉冲式气体渗碳处理前，对工件表面进行清洁去污处理。
优选的，所述脉冲式气体渗碳处理后，对工件依次进行淬火、清洗、回火和喷丸处理。
优选的，所述淬火处理为油淬，淬火温度为820-840℃，保温时间为60-100min。
优选的，所述油淬过程中对油进行不断搅拌，搅拌转速为700-1500r/min。
油淬过程中，对油进行不断搅拌，可以提高工件表面硬度的均一性。
优选的，所述清洗处理是将工件表面的淬火介质去除干净。
优选的，所述回火处理是将工件加热到160-180℃，保温8-12h。
淬火后及时回火，可以消除工件淬火时产生的组织应力和热应力，防止工件变形和开裂；可以调整工件的硬度、强度、塑性和韧性，使其达到使用要求；同时可稳定金相组织与尺寸，保证精度，改善和提高工件的加工性能。
优选的，所述喷丸处理是将钢丸流喷射到工件表面，钢丸的喷射速度为75-80m/s，钢丸直径为0.8-1mm，喷射量为1800-2000kg/h。
喷丸处理过程中，将高速钢丸流喷射到工件表面，可使工件表层发生塑性变形，而形成一定厚度的强化层，强化层内形成较高的残余应力，由于工件表面应力的存在，当工件承受载荷时可以抵消一部分应力，从而提高工件的耐疲劳强度，在对重载齿轮进行处理时，通过设定喷过过程中的喷丸量、喷丸速度和钢丸大小，可解决因齿的强度不够造成断齿的问题，使残余奥氏体控制在20％以下，让硬齿面齿轮在啮合、齿面接触时起到缓冲作用，大大提高了齿面接触疲劳强度，解决齿面点蚀、面蚀问题。
渗碳方法结束后进行磨齿也可以进一步确保工件的高精度，提高工件的使用寿命和精度。
附图说明
图1是本发明实施例1中的对渗碳炉中的碳势变化及齿轮表层渗碳层延伸深度变化的监测图；
图2是对本发明实施例1中经渗碳处理后的重载齿轮表面的渗碳层进行的硬度检测图；其中，横坐标表示硬度HV，纵坐标表示深度μm。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了更好的说明本发明实施例提供的，下面通过实施例做进一步的举例说明。
实施例1
一种重载齿轮表面的渗碳方法，其中，重载齿轮的材质为高合金低碳钢18CrNiMo7-6，齿轮的模数为60Mn，具体渗碳方法包括以下工艺步骤：
清洗：清洗齿轮表面的污物，确保工件进入渗碳炉时表面清洁；
装料：将齿轮放入渗碳炉中；
渗碳：渗碳温度控制在910℃，通过热电偶随时反映渗碳炉内的温度情况，利用甲醇和丙烷作为渗碳剂，通过脉冲式气体渗碳方法对齿轮表面进行渗碳；脉冲式气体渗碳过程包括两个脉冲，第一脉冲的渗碳碳势为1.23cp，渗碳时间为4050min，扩散碳势为0.93cp，扩散时间为1180min；第二脉冲的渗碳碳势为1.13cp，渗碳时间为2860min，扩散碳势为0.65cp，扩散时间为1000min，通过氧探头随时显示渗碳炉内的碳势变化情况，确保渗碳过程的渗碳精度；
脉冲式气体渗碳过程中，对渗碳炉内的碳势和渗碳层延伸情况进行了实时监测，监测结果如图1所示，图中横坐标为实时监测时间，纵坐标代表渗碳炉内的碳浓度，图中上部分的横向曲线表示渗碳炉中碳浓度的变化，右下角两个半峰形曲线表示渗碳层的延伸深度，第一个半峰形曲线表示渗碳炉中第一个脉冲渗碳过程中，渗碳层随着时间变化的不断延伸过程，第二个半峰形曲线表示渗碳炉中第二个脉冲渗碳过程中，渗碳层随着时间变化的不断延伸过程，半峰形曲线高度越高，表示渗碳深度越深，且两个半峰型曲线正好对应两次脉冲渗碳过程中的两次碳势变化。
淬火：淬火处理为油淬，淬火温度为820℃，保温时间为60min，油淬过程中对油进行不断搅拌，搅拌转速为700r/min，确保齿轮的淬火硬度均一，出油后对随炉试样表面的硬度进行检验；
清油：将油淬后齿轮表面的淬火油清洗干净；
回火：淬火后及时回火，回火处理是将齿轮加热到160℃，保温8h；
喷丸：将钢丸流喷射到工件表面，钢丸的喷射速度为75-80m/s，钢丸直径为0.8mm，喷射量为1800kg/h。
检验：对齿轮表面的渗碳层的硬度进行检测，检测结果图2所示，从图中可以看出，齿轮表面的渗碳层硬度梯度分布均匀，随着渗碳层深度的加深，硬度以均匀的梯度减小，说明齿轮表面的渗碳层具有平缓的碳浓度梯度和硬度梯度，形成优良的深层组织，且渗碳层表面的硬度达到了742.4HV。
同时检验了经过上述渗碳方法处理后的齿轮表面的渗碳层深度、齿面的硬度、齿心硬度、金相组织碳化物等级、残余奥氏体含量和马氏体等级。
检测结果：经检测，本实施例中的经过上述渗碳处理后的重载齿轮的有效渗碳层深度为8mm，齿面硬度为62HRC，齿的心部硬度38HRC，金相组织碳化物1级，残余奥氏体含量为20％，马氏体2级。
实施例2
一种重载齿轮表面的渗碳方法，其中，重载齿轮的材质为高合金低碳钢18CrNiMo7-6，齿轮的模数为65Mn，具体渗碳方法包括以下工艺步骤：
清洗：清洗齿轮表面的污物，确保工件进入渗碳炉时表面清洁；
装料：将齿轮放入渗碳炉中；
渗碳：渗碳温度控制在920℃，通过热电偶随时反映渗碳炉内的温度情况，利用甲醇和丙烷作为渗碳剂，通过脉冲式气体渗碳方法对齿轮表面进行渗碳；脉冲式气体渗碳过程包括两个脉冲，第一脉冲的渗碳碳势为1.25cp，渗碳时间为4080min，扩散碳势为0.95cp，扩散时间为1200min；第二脉冲的渗碳碳势为1.15cp，渗碳时间为2880min，扩散碳势为0.7cp，扩散时间为1020min，通过氧探头随时显示渗碳炉内的碳势变化情况，确保渗碳过程的渗碳精度；
淬火：淬火处理为油淬，淬火温度为830℃，保温时间为80min，油淬过程中对油进行不断搅拌，搅拌转速为1000r/min，确保齿轮的淬火硬度均一，出油后对随炉试样表面的硬度进行检验；
清油：将油淬后齿轮表面的淬火油清洗干净；
回火：淬火后及时回火，回火处理是将齿轮加热到170℃，保温10h；
喷丸：将钢丸流喷射到工件表面，钢丸的喷射速度为80m/s，钢丸直径为0.9mm，喷射量为1900kg/h。
检验：检验经过上述渗碳方法处理后的齿轮表面的渗碳层深度、齿面的硬度、齿心硬度、金相组织碳化物等级、残余奥氏体含量和马氏体等级。
检测结果：经检测，本实施例中的经过上述渗碳处理后的重载齿轮的有效渗碳层深度为8.2mm，齿面硬度为63HRC，齿的心部硬度40HRC，金相组织碳化物1级，残余奥氏体含量为16％，马氏体2级。
实施例3
一种重载齿轮表面的渗碳方法，其中，重载齿轮的材质为高合金低碳钢18CrNiMo7-6，齿轮的模数为60Mn，具体渗碳方法包括以下工艺步骤：
清洗：清洗齿轮表面的污物，确保工件进入渗碳炉时表面清洁；
装料：将齿轮放入渗碳炉中，齿轮与渗碳炉内壁之间的间隔距离为50mm；
渗碳：渗碳温度控制在930℃，通过热电偶随时反映渗碳炉内的温度情况，利用甲醇和丙烷作为渗碳剂，通过脉冲式气体渗碳方法对齿轮表面进行渗碳；脉冲式气体渗碳过程包括两个脉冲，第一脉冲的渗碳碳势为1.27cp，渗碳时间为4100min，扩散碳势为0.97cp，扩散时间为1220min；第二脉冲的渗碳碳势为1.17cp，渗碳时间为2900min，扩散碳势为0.75cp，扩散时间为1040min，通过氧探头随时显示渗碳炉内的碳势变化情况，确保渗碳过程的渗碳精度；
淬火：淬火处理为油淬，淬火温度为840℃，保温时间为100min，油淬过程中对油进行不断搅拌，搅拌转速为1500r/min，确保齿轮的淬火硬度均一，出油后对随炉试样表面的硬度进行检验；
清油：将油淬后齿轮表面的淬火油清洗干净；
回火：淬火后及时回火，回火处理是将齿轮加热到180℃，保温12h；
喷丸：将钢丸流喷射到工件表面，钢丸的喷射速度为80m/s，钢丸直径为1mm，喷射量为2000kg/h。
检验：检验经过上述渗碳方法处理后的齿轮表面的渗碳层深度、齿面的硬度、齿心硬度、金相组织碳化物等级、残余奥氏体含量和马氏体等级。
检测结果：经检测，本实施例中的经过上述渗碳处理后的重载齿轮的有效渗碳层深度为8.3mm，齿面硬度为60HRC，齿的心部硬度42HRC，金相组织碳化物1级，残余奥氏体含量为19％，马氏体2级。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种合金表面的渗碳方法，其特征在于：利用甲醇和丙烷作为渗碳剂，通过脉冲式气体渗碳方法对合金工件表面进行渗碳；所述脉冲式气体渗碳过程为依次进行的第一脉冲和第二脉冲，所述第一脉冲的渗碳碳势为1.23-1.27cp，渗碳时间为4050-4100min，扩散碳势为0.93-0.97cp，扩散时间为1180-1220min；所述第二脉冲的渗碳碳势为1.13-1.17cp，渗碳时间为2860-2900min，扩散碳势为0.65-0.75cp，扩散时间为1000-1040min；
所述合金工件的材质为高合金低碳钢，所述高合金低碳钢中各化学元素的质量含量为：C：0.15-0.20%，Si：≤0.4%，Mn：0.5-0.9%，Ni：1.4-1.7%，P：≤ 0.02%，S：≤0.025%，Cr：1.5-1.8%，Mo：0.25-0.35%，Al：0.02-0.05%，Cu：≤0.25%，Sn：≤0.03%，Sb：≤0.005%，Ti：≤0.005%，N：≤0.006-0.018%，V：≤0.03%；
所述甲醇的流量为2450-2550ml/h；所述丙烷的流量为4-6L/min；
所述脉冲式气体渗碳方法的渗碳温度为910-930℃。
2.如权利要求1所述的渗碳方法，其特征在于：所述脉冲式气体渗碳处理前，对工件表面进行清洁去污处理。
3.如权利要求1所述的渗碳方法，其特征在于：所述脉冲式气体渗碳处理后，对工件依次进行淬火、清洗、回火和喷丸处理。
4.如权利要求3所述的渗碳方法，其特征在于：所述淬火处理为油淬，淬火温度为820-840℃，保温时间为60-100min。
5.如权利要求4所述的渗碳方法，其特征在于：所述油淬过程中对油进行不断搅拌，搅拌转速为700-1500r/min。
6.如权利要求3所述的渗碳方法，其特征在于：所述回火处理是将工件加热到160-180℃，保温8-12h。
7.如权利要求3所述的渗碳方法，其特征在于：所述喷丸处理是将钢丸流喷射到工件表面，钢丸的喷射速度为75-80m/s，钢丸直径为0.8-1mm，喷射量为1800-2000kg/h。
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