CN112281112B - 一种孔芯活塞杆的热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本申请涉及金属热处理工艺的领域，具体公开了一种孔芯活塞杆的热处理工艺。包括预处理、预热、正火、形成渗层、淬火、冷却、回火步骤，本申请渗剂中的活性碳原子渗入孔芯活塞杆表面，经过渗碳后的孔芯活塞杆耐磨性能和机械强度更好。而渗剂中的其它组分在950‑1000℃下会熔融，会在孔芯活塞杆表面形成渗铬层、渗钼层、渗钒层，能够提高孔芯活塞杆的表面硬度。因为铬、钼、钒的强度高，还能够提高孔芯活塞杆的强度；铬原子、钼原子、钒原子均易于碳原子结合，使得渗层表面含大量的金属碳化物，具有很好的耐磨性。采用本申请提供的热处理工艺，能大幅度提升孔芯活塞杆的耐磨性和机械强度。

Description

一种孔芯活塞杆的热处理工艺

技术领域

本申请涉及金属热处理领域，更具体地说，它涉及一种孔芯活塞杆的热处理工艺。

背景技术

活塞杆是支持活塞做功的连接部件，大部分应用在油缸、气缸运动执行部件中，是一个运动频繁、技术要求高的运动部件。正常使用活塞杆时，活塞杆要承受交变载荷作用，表面被往复磨擦，所以要求活塞杆既要硬度高又要耐磨。

热处理工艺是指材料在固态下，通过加热、保温、冷却的手段，获得预期组织和性能的一种金属热加工工艺，热处理工艺一般不会改变工件的形状，因此是机械制造中的重要工艺之一。目前活塞杆的热处理，通常是将成型后的活塞杆经过正火、调质、淬火、回火等步骤的处理加工而成。

针对上述中的相关技术，发明人认为热处理过程，活塞杆内部应力会随着温度变化而变化，温度变化急剧导致活塞杆内部应力不均，使得活塞杆表面会出现细小的裂纹，活塞杆在使用过程中，活塞杆的摩擦系数增大、机械强度降低。

发明内容

为了增强活塞杆的机械强度并降低摩擦系数，本申请提供一种孔芯活塞杆的热处理工艺。

本申请提供一种孔芯活塞杆的热处理工艺，采用如下的技术方案：

一种孔芯活塞杆的热处理工艺，具体包括以下步骤：

S1、预处理：将成型后的孔芯活塞杆浸泡在碱性电解质溶液中，以耐腐蚀材料作为辅助电极，在直流电作用下，除去孔芯活塞杆表面的油污；

S2、预热：经过步骤S1预处理后的孔芯活塞杆在800-900℃下进行预热，预热时间为1-2h；

S3、正火：预热后的孔芯活塞杆在1000-1100℃下保温3-6h保温结束后自然冷却至400-500℃；

S4、形成渗层：经过步骤S3正火处理后的孔芯活塞杆置于渗剂中，并升温至950-1000℃，保温5-8h，所述渗剂按照质量分数计，包括木炭50-60％、氧化铬10-15％、氧化钼3-5％、氧化钒4-6％以及硼砂10-15％；

S5、淬火：将经过S3步骤处理后的孔芯活塞杆在1000-1050℃下，保温3-5h；

S6、冷却：经过步骤S5处理后的孔芯活塞杆置于冷却液中进行冷却；

S7、回火：经过步骤S6冷却后的孔芯活塞杆在150-200℃下，保温2-5h，保温结束后，将孔芯活塞杆自然冷却至室温。

通过采用上述技术方案，成型后的孔芯活塞杆先进行预热，目的是为后续的热处理作好准备，经过预热步骤的孔芯活塞杆，使得孔芯活塞杆内部形成细小、均匀的晶粒，从而提高孔芯活塞杆的强度。预热后的孔芯活塞杆再进行正火处理，目的是消除孔芯活塞杆的内部应力，使孔芯活塞杆的组织更均匀。经过正火处理后的孔芯活塞杆置于渗剂中，并升温至950-1000℃，950-1000℃下，活性碳原子渗入孔芯活塞杆表面，经过渗碳后的孔芯活塞杆耐磨性能和机械强度更好。渗剂中的其它组分会熔融，会在孔芯活塞杆表面形成渗铬层、渗钼层、渗钒层，能够提高孔芯活塞杆的表面硬度。因为铬、钼、钒的强度高，还能够提高孔芯活塞杆的强度；铬原子、钼原子、钒原子均易于碳原子结合，使得渗层表面含大量的金属碳化物，具有很好的耐磨性。进行淬火的目的是提高渗层强度，消除活塞杆表面残余的渗层，还能够提高孔芯活塞杆的硬度和耐磨性能，高温淬火还能够细化晶粒，提高孔芯活塞杆内部的强度。冷却后进行回火的目的是提高孔芯活塞杆组织稳定性，使得孔芯活塞杆使用过程中不再发生组织转变，从而使孔芯活塞杆的尺寸保持稳定。

优选的，所述步骤S6中的冷却液按照质量分数计，包括水60-70％、氯化钠10-15％、聚乙烯醇6-12％、三乙醇胺5-8％、柠檬酸2-4％以及消泡剂1-3％。

通过采用上述技术方案，冷却液以水作为主要成分，是因为水的冷却速度快、成分稳定、不易变质，但是随着水温的升高，水处于蒸汽膜阶段时，冷却速度逐渐降低，加入氯化钠，当高温的孔芯活塞杆浸入冷却液中时，在蒸汽膜阶段，会析出氯化钠晶体，氯化钠晶体会立即爆裂破坏蒸汽膜，并将工件表面的氧化层炸碎，这样能够提高冷却液在高温区的冷却能力。聚乙烯醇在冷却过程能够成膜，孔芯活塞杆表面和蒸汽膜外面均被聚乙烯形成的粘性膜包围，冷却速度缓慢，进入沸腾阶段后，粘性膜破裂，冷却速度加快，当温度降至低温区时，聚乙烯醇粘性膜又会重新形成，使冷却速度下降，有利于防止孔芯活塞杆表面开裂。三乙醇胺在水中易溶解，冰点低，冷却效果好。由于冷却液中的氯离子对孔芯活塞杆有腐蚀作用，因此加入柠檬酸，柠檬酸易溶于水，酸性低，对孔芯活塞杆具有一定的缓蚀性。冷却液沸腾时，消泡剂能够消除沸腾阶段产生的气泡，提高冷却液与孔芯活塞杆表面的接触能力，从而提高冷却效果。

优选的，所述步骤S2的预热过程在惰性气氛条件下进行。

通过采用上述技术方案，在惰性气氛下预热，能够降低预热过程空气对孔芯活塞杆的氧化作用。

优选的，所述步骤S4中，持续通入氨气。

通过采用上述技术方案，氨气受热分解产生活性氮原子，氮原子不断吸附到孔芯活塞杆表面，并扩散渗入到孔芯活塞杆表层内，氮原子能够与孔芯活塞杆中的合金元素结合形成合金氮化物，合金氮化物的硬度高、热稳定性好，因此渗氮后的孔芯活塞杆表面硬度高、耐磨性好。

优选的，所述渗剂还包括硼化钙9-10％。

通过采用上述技术方案，硼化钙具有较强的抗氧化作用，能够避免渗剂在孔芯活塞杆表面形成渗层时被氧化，硼化钙在热冲击下还具有很高的强度和稳定性，硼化钙的加入能够进一步提高孔芯活塞杆的机械性能。

优选的，所述渗剂按照质量分数计，包括木炭55％、氧化铬12.8％、氧化钼4.2％、氧化钒5.3％、硼化钙9.4％以及硼砂13.3％。

通过采用上述技术方案，按照该比例配制的渗剂在孔芯活塞杆表面形成的渗层，使得孔芯活塞杆的机械强度及耐磨程度最好。

优选的，所述步骤S6中的冷却液按照质量分数计，包括水66％、氯化钠13％、聚乙烯醇9％、三乙醇胺7％、柠檬酸3％以及消泡剂2％。

通过采用上述技术方案，按照该比例配制的冷却液，对孔芯活塞杆的冷却效果最好。

优选的，所述步骤S1中碱性电解质溶液为质量分数为10-15％的氢氧化钠溶液。

通过采用上述技术方案，氢氧化钠属于强碱，皂化作用强，能够有效除去孔芯活塞表面的油污。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、由于本申请采用在孔芯活塞杆表面沉积渗层，经过正火处理后的孔芯活塞杆置于渗剂中，并升温至950-1000℃，950-1000℃下，活性碳原子渗入孔芯活塞杆表面，经过渗碳后的孔芯活塞杆耐磨性能和机械强度更好。渗剂中的其它组分在950-1000℃下会熔融，会在孔芯活塞杆表面形成渗铬层、渗钼层、渗钒层，能够提高孔芯活塞杆的表面硬度。因为铬、钼、钒的强度高，还能够提高孔芯活塞杆的强度；铬原子、钼原子、钒原子均易于碳原子结合，使得渗层表面含大量的金属碳化物，具有很好的耐磨性。进行淬火的目的是提高渗层强度，消除活塞杆表面残余的渗层，还能够提高孔芯活塞杆的硬度和耐磨性能，高温淬火还能够细化晶粒，提高孔芯活塞杆内部的强度；

2、本申请中优选采用在步骤S4中持续通入氨气，由于氨气受热分解产生活性氮原子，氮原子不断吸附到孔芯活塞杆表面，并扩散渗入到孔芯活塞杆表层内，氮原子能够与孔芯活塞杆中的合金元素结合形成合金氮化物，合金氮化物的硬度高、热稳定性好，因此渗氮后的孔芯活塞杆表面硬度高、耐磨性好；

3、本申请中优选采用在渗剂中加入硼化钙，由于硼化钙具有较强的抗氧化作用，能够避免渗剂在孔芯活塞杆表面形成渗层时被氧化，硼化钙在热冲击下还具有很高的强度和稳定性，硼化钙的加入能够进一步提高孔芯活塞杆的机械强度。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例与对比例中的孔芯活塞杆的材质均为40CrNiMoA。

实施例

实施例1

一种孔芯活塞杆的热处理工艺，具体包括以下步骤：

S1、预处理：将成型后的孔芯活塞杆浸泡在质量分数为10％的氢氧化钠溶液中，以钢板作为辅助电极，在直流电作用下，除去孔芯活塞杆表面的油污,然后清洗孔芯活塞杆；

S2、预热：经过步骤S1预处理后的孔芯活塞杆置于箱式电阻炉中，将箱式电阻炉温度以5℃/min速度升温至800℃进行预热，预热时间为2h；

S3、正火：继续升高箱式电阻炉温度至1000℃并保温3h，保温结束后自然冷却至400℃；

S4、形成渗层：将渗剂放入到箱式电阻炉中，并升温至950℃，保温5h，渗剂按照质量分数计，包括木炭60％、氧化铬15％、氧化钼4％、氧化钒6％以及硼砂15％；

S5、淬火：箱式电阻炉温度继续升高至1000℃，并保温3h；

S6、冷却：经过步骤S5处理后的孔芯活塞杆置于冷却液中进行冷却，冷却液按照质量分数计，包括水60％、氯化钠15％、聚乙烯醇12％、三乙醇胺8％、柠檬酸2％以及消泡剂3％；

S7、回火：经再将冷却后的孔芯活塞杆置于箱式电阻炉中，升高温度至150℃，保温2h，保温结束后，将孔芯活塞杆自然冷却至室温。

实施例2

一种孔芯活塞杆的热处理工艺，具体包括以下步骤：

S1、预处理：将成型后的孔芯活塞杆浸泡在质量分数为15％的氢氧化钠溶液中，以钢板作为辅助电极，在直流电作用下，除去孔芯活塞杆表面的油污,然后清洗孔芯活塞杆；

S2、预热：经过步骤S1预处理后的孔芯活塞杆置于箱式电阻炉中，将箱式电阻炉温度以5℃/min速度升温至900℃进行预热，预热时间为1.5h；

S3、正火：继续升高箱式电阻炉温度至1050℃并保温5h，保温结束后自然冷却至500℃；S4、形成渗层：将渗剂放入到箱式电阻炉中，并升温至1000℃，保温5h，渗剂按照质量分数计，包括木炭58％、氧化铬12％、氧化钼5％、氧化钒5％、硼砂10％以及硼化钙10％；

S5、淬火：箱式电阻炉温度继续升高至1050℃，并保温5h；

S6、冷却：经过步骤S5处理后的孔芯活塞杆置于冷却液中进行冷却，冷却液按照质量分数计，包括水70％、氯化钠10％、聚乙烯醇10％、三乙醇胺5％、柠檬酸4％以及消泡剂1％；

S7、回火：经再将冷却后的孔芯活塞杆置于箱式电阻炉中，升高温度至180℃，保温3h，保温结束后，将孔芯活塞杆自然冷却至室温。

实施例3

一种孔芯活塞杆的热处理工艺，具体包括以下步骤：

S1、预处理：将成型后的孔芯活塞杆浸泡在质量分数为10％的氢氧化钠溶液中，以钢板作为辅助电极，在直流电作用下，除去孔芯活塞杆表面的油污,然后清洗孔芯活塞杆；

S2、预热：经过步骤S1预处理后的孔芯活塞杆置于箱式电阻炉中，将箱式电阻炉温度以5℃/min速度升温至900℃进行预热，预热时间为2h；

S3、正火：继续升高箱式电阻炉温度至1100℃并保温4h，保温结束后自然冷却至450℃；

S4、渗层：将渗剂放入到箱式电阻炉中，并升温至1000℃，保温5h，渗剂按照质量分数计，包括木炭56％、氧化铬15％、氧化钼3％、氧化钒4％、硼砂13％以及硼化钙9％；S5、淬火：箱式电阻炉温度继续升高至1000℃，并保温4h；

S6、冷却：经过步骤S5处理后的孔芯活塞杆置于冷却液中进行冷却，冷却液按照质量分数计，包括水68％、氯化钠14％、聚乙烯醇6％、三乙醇胺6％、柠檬酸4％以及消泡剂2％；

S7、回火：经再将冷却后的孔芯活塞杆置于箱式电阻炉中，升高温度至200℃，保温2h，保温结束后，将孔芯活塞杆自然冷却至室温。

实施例4

本实施例与实施例3的区别之处在于：步骤S2中，持续通入氩气，其它同实施例3。

实施例5，本实施例与实施例3的区别之处在于：步骤S4中，持续通入氨气，其它同实施例3。

实施例6，本实施例与实施例3的区别之处在于：步骤S2中，持续通入氩气；步骤S4中持续通入氨气，其它同实施例3。

实施例7，本实施例与实施例6的区别之处在于：步骤S4中，渗剂按照质量分数计，包括木炭55％、氧化铬13％、氧化钼4％、氧化钒5.3％、硼砂9.4％以及硼化钙13.3％。

实施例8，本实施例与实施例6的区别之处在于：步骤S6中，冷却液按照质量分数计，包括水66％、氯化钠13％、聚乙烯醇9％、三乙醇胺7％、柠檬酸3％以及消泡剂2％。

对比例

对比例1

一种孔芯活塞杆的热处理工艺，与实施例7的区别在于，不包括步骤S1的预处理过程。

对比例2

一种孔芯活塞杆的热处理工艺，与实施例7的区别在于，不包括步骤S2升温预热过程。

对比例3

一种孔芯活塞杆的热处理工艺，与实施例7的区别在于，不包括S4的渗层过程。

对比例4

一种孔芯活塞杆的热处理工艺，与实施例7的区别在于，步骤S4中，渗剂不包括氧化铬。

对比例5

一种孔芯活塞杆的热处理工艺，与实施例7的区别在于，步骤S4中，渗剂不包括氧化钼。

对比例6

一种孔芯活塞杆的热处理工艺，与实施例7的区别在于，步骤S4中，渗剂不包括氧化钒。

对比例7

一种孔芯活塞杆的热处理工艺，与实施例7的区别在于，步骤S6中，冷却液不包括三乙醇胺。

对比例8

一种孔芯活塞杆的热处理工艺，与实施例7的区别在于，步骤S6中，冷却液不包括柠檬酸。

性能检测试验未经过热处理的孔芯活塞杆即原材料，实施例、对比例均进行如下性能测试

一、外观

用二十倍放大镜观察经过热处理后的孔芯活塞杆表面是否有裂纹。

二、硬度

在硬度测量仪上进行洛氏硬度的测定。

三、抗冲击强度

在万能试验机上对经过热处理后的孔芯活塞杆上进行抗冲击强度。

四、耐磨性测试

摩擦系数：在载荷15N、均速0.1m/s、磨程2160m的条件下测试。

表1性能测试结果

	外观	硬度(HRC)	抗冲击强度(KN)	摩擦系数
					原材料	无	20	23	1.22
实施例1	无	43	42	0.55
					实施例2	无	45	45	0.52
实施例3	无	45	46	0.51
					实施例4	无	46	48	0.49
实施例5	无	47	49	0.50
					实施例6	无	48	54	0.48
实施例7	无	50	58	0.45
					实施例8	无	51	60	0.44
对比例1	无	40	39	0.59
					对比例2	无	38	38	0.61
对比例3	有	30	32	0.75
					对比例4	有	34	37	0.60
对比例5	有	33	34	0.62
					对比例6	有	32	31	0.64
对比例7	有	33	33	0.67
					对比例8	有	34	35	0.68

结合实施例3、实施例4-6并结合表1可以看出，预热过程向电阻炉中通入氩气，能够降低预热过程空气对孔芯活塞杆的氧化作用，因此经过热处理后的孔芯活塞杆的硬度、抗冲击强度及耐磨性都更优异。步骤S4中中通入氨气，氮原子能够与孔芯活塞杆中的合金元素结合形成合金氮化物，合金氮化物的硬度高、热稳定性好，因此渗氮后的孔芯活塞杆表面硬度高、耐磨性好。

结合实施例7、对比例1并结合表1可以看出，经过预处理步骤的孔芯活塞杆的硬度、抗冲击强度及耐磨性更好，说明预处理能够有效除去孔芯活塞杆表面的油污，使得后续形成的渗层强度更高。

结合实施例7、对比例2并结合表1可以看出，经过预热步骤的孔芯活塞杆的硬度和抗冲击强度更高，说明预热能够在孔芯活塞杆内部形成细小、均匀的晶粒，从而提高其强度。

结合实施例7、对比例3-6并结合表1可以看出，孔芯活塞杆表面形成渗层，对孔芯活塞杆表面的硬度、活塞杆的抗冲击强度以及耐磨性均能够有效提升，渗剂中的各组分之间还具有协同作用。

综上，采用本申请提供的热处理工艺，能够大幅度提升孔芯活塞杆的耐磨性、机械强度。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (7)

1.一种孔芯活塞杆的热处理工艺，其特征在于：具体包括以下步骤：

S1、预处理：将成型后的孔芯活塞杆浸泡在碱性电解质溶液中，以耐腐蚀材料作为辅助电极，在直流电作用下，除去孔芯活塞杆表面的油污；

S2、预热：经过步骤S1预处理后的孔芯活塞杆在800-900℃下进行预热，预热时间为1-2h；

S3、正火：预热后的孔芯活塞杆在1000-1100℃下保温3-6h保温结束后自然冷却至400-500℃；

S4、形成渗层：经过步骤S3正火处理后的孔芯活塞杆置于渗剂中，并升温至950-1000℃，保温5-8h，所述渗剂按照质量分数计，包括木炭50-60%、氧化铬10-15%、氧化钼3-5%、氧化钒4-6%以及硼砂10-15%；

S5、淬火：将经过S3步骤处理后的孔芯活塞杆在1000-1050℃下，保温3-5h；

S6、冷却：经过步骤S5处理后的孔芯活塞杆置于冷却液中进行冷却，所述冷却液按照质量分数计，包括水60-70%、氯化钠10-15%、聚乙烯醇6-12%、三乙醇胺5-8%、柠檬酸2-4%以及消泡剂1-3%；

S7、回火：经过步骤S6冷却后的孔芯活塞杆在150-200℃下，保温2-5h，保温结束后，将孔芯活塞杆自然冷却至室温。

2.根据权利要求1所述的一种孔芯活塞杆的热处理工艺，其特征在于：所述步骤S2的预热过程在惰性气氛条件下进行。

3.根据权利要求1所述的一种孔芯活塞杆的热处理工艺，其特征在于：所述步骤S4中，持续通入氨气。

4.根据权利要求1所述的一种孔芯活塞杆的热处理工艺，其特征在于：所述渗剂还包括硼化钙9-10%。

5.根据权利要求4所述的一种孔芯活塞杆的热处理工艺，其特征在于：所述渗剂按照质量分数计，包括木炭55%、氧化铬12.8%、氧化钼4.2%、氧化钒5.3%、硼化钙9.4%以及硼砂13.3%。

6.根据权利要求1所述的一种孔芯活塞杆的热处理工艺，其特征在于：所述步骤S6中的冷却液按照质量分数计，包括水66%、氯化钠13%、聚乙烯醇9%、三乙醇胺7%、柠檬酸3%以及消泡剂2%。

7.根据权利要求1所述的一种孔芯活塞杆的热处理工艺，其特征在于：所述步骤S1中碱性电解质溶液为质量分数为10-15%的氢氧化钠溶液。