CN111826604B - 一种在同一零件上不同部位进行差深渗碳的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在同一零件上不同部位进行差深渗碳的方法，其采用脉冲式叠加渗碳的工艺方法先对要求深渗碳层深的部位进行渗碳，其余部位防渗保护，冷却除防渗保护后再同时对整个零件进行二次叠加渗碳，从而达到同一零件的不同部位有不同的渗碳层深度，在对要求深层深渗碳的部位进行二次叠加渗碳时的渗碳层深不可控过程中，在Ac3以上温度阶段采取斜率升、降温的方式进行过程控制，确保渗碳层深精准可控，根据渗碳深度的近似计算F.E.Harris公式的简化公式：

可设差深渗碳的经验公式：

通过工艺试验及验证得出k′₁、k′₂值,从而达到精准的控制同一零件的不同部位有不同的渗碳层深度。

Description

一种在同一零件上不同部位进行差深渗碳的方法

技术领域

本发明涉及金属热处理技术领域，尤其涉及一种在同一零件上不同部位进行差深渗碳的方法。

背景技术

随着我国机械行业的飞速发展，对装备整体的可靠性要求越来越高，从而进一步对其零部件的可靠性、结构紧凑性提出了更高的要求。以往齿轮箱通常为行星齿轮内孔与轴承外圈链接，采取过盈配合的链接方式，此结构行星齿轮内孔壁较薄、齿根应力高、内孔配合轴承外圈处容易打滑蠕动产生磨损，总体重量较重且可靠性不高。目前某齿轮箱的行星轮设计成齿轮与轴承一体式结构，行星轮内孔即为轴承外圈滚道，使整个传动系统结构更加紧凑、可靠性更高。此一体式行星轮结构在满足齿轮要求的同时还要满足行星轮内孔作为轴承外圈的要求，行星轮齿面和内孔均需进行渗碳淬火，且将有不同的渗碳层深度，为满足同一零件上不同部位要求不一致的渗碳层深，需研究一个差深渗碳的工艺方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在同一零件上不同部位进行差深渗碳的方法，旨在解决现有技术中对于低碳合金渗碳钢零件的不同部位技术要求渗碳层深度不一致的问题。

本发明的技术方案如下：

一种在同一零件上不同部位进行差深渗碳的方法，包括以下步骤：

(1)根据设计要求确定在零件上不同部位需要渗碳的渗碳层深；

(2)根据渗碳深度的近似计算F.E.Harris公式的简化公式：

式中H-渗碳深度(mm)；

k-渗碳速度因子；

t-渗碳时间(h)。

设差深渗碳的脉冲式叠加渗碳经验公式为：

式中H₁-I次预渗碳深度(mm)；

H₂-II次浅层深渗碳深度(mm)；

H_Δ-叠加渗碳的深层深深度(mm)；

k₁-I次渗碳速度因子；

k₂-II次渗碳速度因子；

k′₁-叠加渗碳过程渗碳速度因子；

k′₂-斜率升降温过程渗碳速度因子；

t₁-I次渗碳的时间(强渗+扩散)(h)；

t₂-II次渗碳的时间(强渗+扩散)(h)；

t_s—Ⅱ次渗碳斜率升温时间(h)；

t_j—Ⅰ次渗碳斜率降温时间(h)；

(3)通过以上公式进行工艺试验计算得出渗碳速度因子k₁、k₂、k′₁、K′₂值，再根据设计的渗碳层深计算得出预渗碳的Ⅰ次渗碳时间和浅层深的Ⅱ次渗碳时间，然后采用脉冲式叠加渗碳工艺对零件进行差深渗碳；

(4)先对要求深渗碳层深的零件部位进行Ⅰ次渗碳，其余部位防渗保护；

(5)冷却除防渗保护后再同时对整个零件进行Ⅱ次叠加渗碳，使要求深渗碳层深的部位经过两次渗碳后得到较深的渗碳层深，而其他部位则得到较浅的渗碳层深；

(6)在要求深层深渗碳的部位进行二次叠加渗碳时的不可控过程中，在Ac3以上温度阶段采取斜率升、降温的方式进行过程控制，确保渗碳层深可控。

所述的一种在同一零件上不同部位进行差深渗碳的方法，其中零件材质为16Cr3NiWMoVNbE时，设计要求为渗碳温度920℃、强渗碳势1.10C％、扩散碳势0.9C％、强扩比2：1；

差深渗碳的脉冲式二次叠加渗碳经验公式为：

本发明的有益效果是，采用脉冲式叠加渗碳的工艺方法先对要求深渗碳层深的部位进行Ⅰ次渗碳，其余部位防渗保护，冷却除防渗保护后再同时对整个零件进行Ⅱ次叠加渗碳，使要求深渗碳层深的部位经过两次渗碳后得到较深的渗碳层深，而其他部位则得到较浅的渗碳层深，从而达到同一零件的不同部位有不同的渗碳层深度，在对要求深层深渗碳的部位进行二次叠加渗碳时的渗碳层深不可控过程中，在Ac3以上温度阶段采取斜率升、降温的方式进行过程控制，确保渗碳层深精准可控，根据渗碳深度的近似计算F.E.Harris公式的简化公式：

可设差深渗碳的经验公式：

通过工艺试验及验证得出k′₁、k′₂值,从而达到精准的控制同一零件的不同部位有不同的渗碳层深度，适用的材料主要为低碳合金渗碳钢，适用的产品主要为需对不同部位有不同渗碳层深要求的零件。

附图说明

图1为叠加渗碳试验工艺示意图。

图2为渗碳后的统一淬火工艺示意图。

图3为差深渗碳的脉冲式叠加渗碳验证工艺示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

一种在同一零件上不同部位进行差深渗碳的方法实施例：

(1)先按图1进行渗碳工艺试验，具体工艺参数根据材料和实际情况而定；为简化试验过程、减少各因素的变差，试验时需选择固定的渗碳温度、碳势和强扩比；

(2)渗碳试验时先放6件要求深层深的一组试样进行Ⅰ次渗碳，Ⅰ次渗碳结束后缓冷，出炉冷却后取出Ⅰ次渗碳后的其中3件试样，然后再装入3件要求浅层深的试样进行Ⅱ次渗碳；

(3)试验时分别取t_s＝t_j＝2h、t_s＝t_j＝4h进行两次工艺试验；

(4)统一进行680℃×5h的高温回火(根据材料，高温回火工序可不进行)，再按图2进行淬、回火工艺试验；

(5)材料16Cr3NiWMoVNbE按上述附图1和图2进行试验得出的结果如下表：

表1 16Cr3NiWMoVNbE钢的工艺试验结果

(6)根据所设计的经验公式：

Ⅰ次渗碳时间为18h，当t_s＝t_j＝2h，层深H₁＝1.917mm，由简化公式可得：k₁＝0.452；当t_s＝t_j＝4h，层深H₁＝1.930mm，由简化公式可得：k₁＝0.455。

则Ⅰ次渗碳的经验公式为：当t_s＝t_j＝2h时，

当_s＝t_j＝4h时，

Ⅱ次渗碳时间为9h，层深不受t_s、t_j的影响，层深取两次的均值，则

H₂＝(1.356+1.362)÷2＝1.359_mm由简化公式可得：k₂＝0.453。

则Ⅱ次渗碳的经验公式为：

Ⅰ+Ⅱ渗碳层深按设计公式可得方程：

解方程(1)、(2)，可得：

k′₁＝0459，K′₂＝0.105

则可得出该材料在该渗碳温度、碳势和强扩比情况下的Ⅰ+Ⅱ次叠加渗碳的经验公式为：

(7)根据零件不同部位实际渗碳层深的技术要求，代入该材料在该渗碳条件下的经验公式，即可得出预渗碳的Ⅰ次渗碳时间和浅层深的Ⅱ次渗碳时间。

(8)例如，为验证经验公式是否准确，按技术要求为内孔渗碳层深2.00～2.40mm、齿部渗碳层深1.05～1.35mm的产品进行工艺验证；先对产品内孔进行Ⅰ次渗碳达到铣齿前预期的渗碳层深H₁，其他部位镀铜防渗保护，内孔Ⅰ次预期渗碳缓冷后再对外圆进行铣齿，然后再同时对内孔和齿部进行Ⅱ次渗碳，使齿部达到技术要求的浅渗碳层深H₂、内孔经过Ⅰ次和Ⅱ次叠加渗碳后达到技术要求的深渗碳层深H_Δ。令t_s＝t_j＝2h，内孔渗碳层深取技术要求的中间值H_Δ＝2.2mm，齿部渗碳层深也取技术要求的中间值H₂＝1.2mm，由经验公式：

可得方程：

解方程(3)、(4)、(5)，可得：

H₁＝1.551mm，t₁＝11.780h≈118h，t₂＝7.017h≈7h

从而可得差深渗碳的脉冲式叠加渗碳工艺曲线如附图3。

(9)按图3进行渗碳后，高温回火按680℃×5h进行，淬火工艺按图2执行。经检测，验证工艺的内孔预渗试样及产品实物解剖的理化检测结果见表2，各项指标均符合技术要求：

表2 16Cr3NiWMoVNbE热处理工艺验证结果

因此运用了本发明的工艺方法于低碳合金渗碳钢零件的不同部位技术要求渗碳层深度不一致的问题上时，采用脉冲式叠加渗碳的工艺方法先对要求深渗碳层深的部位进行I次渗碳，其余部位防渗保护，冷却除防渗保护后再同时对整个零件进行Ⅱ次叠加渗碳，使要求深渗碳层深的部位经过两次渗碳后得到较深的渗碳层深，而其他部位则得到较浅的渗碳层深，从而达到同一零件的不同部位有不同的渗碳层深度，在对要求深层深渗碳的部位进行二次叠加渗碳时的渗碳层深不可控过程中，在Ac3以上温度阶段采取斜率升、降温的方式进行过程控制，确保渗碳层深精准可控，根据渗碳深度的近似计算F.E.Harris公式的简化公式：

可设差深渗碳的经验公式：

通过工艺试验及验证得出k′₁、k′₂值,从而达到精准的控制同一零件的不同部位有不同的渗碳层深度。

适用的材料主要为低碳合金渗碳钢，适用的产品主要为需对不同部位有不同渗碳层深要求的零件。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (2)

1.一种在同一零件上不同部位进行差深渗碳的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据设计要求确定在零件上不同部位需要渗碳的渗碳层深；

(2)根据渗碳深度的近似计算F.E.Harris公式的简化公式：

式中H—渗碳深度(mm)；

k—渗碳速度因子；

t—渗碳时间(h)。

设差深渗碳的脉冲式叠加渗碳经验公式为：

式中H₁—Ⅰ次预渗碳深度(mm)；

H₂—Ⅱ次浅层深渗碳深度(mm)；

H_Δ—叠加渗碳的深层深深度(mm)；

k₁—Ⅰ次渗碳速度因子；

k₂—Ⅱ次渗碳速度因子；

k′₁—叠加渗碳过程渗碳速度因子；

k′₂—斜率升降温过程渗碳速度因子；

t₁—Ⅰ次渗碳的时间(强渗+扩散)(h)；

t₂—Ⅱ次渗碳的时间(强渗+扩散)(h)；

t_s—Ⅱ次渗碳斜率升温时间(h)；

t_j—Ⅰ次渗碳斜率降温时间(h)；

(3)通过以上公式进行工艺试验计算得出渗碳速度因子k₁、k₂、k′₁、k′₂值，再根据设计的渗碳层深计算得出预渗碳的Ⅰ次渗碳时间和浅层深的Ⅱ次渗碳时间，然后采用脉冲式叠加渗碳工艺对零件进行差深渗碳；

(4)先对要求深渗碳层深的零件部位进行Ⅰ次渗碳，其余部位防渗保护；

(5)冷却除防渗保护后再同时对整个零件进行Ⅱ次叠加渗碳，使要求深渗碳层深的部位经过两次渗碳后得到较深的渗碳层深，而其他部位则得到较浅的渗碳层深；

(6)在要求深层深渗碳的部位进行二次叠加渗碳时的不可控过程中，在Ac3以上温度阶段采取斜率升、降温的方式进行过程控制，确保渗碳层深可控。

2.根据权利要求1所述的一种在同一零件上不同部位进行差深渗碳的方法，其特征在于，零件材质为16Cr3NiWMoVNbE时，设计要求为渗碳温度920℃、强渗碳势1.10C％、扩散碳势0.9C％、强扩比2：1；

差深渗碳的脉冲式二次叠加渗碳经验公式为：

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