CN113999953B - 一种高硬度38CrMoAl氮化钢的化学热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于金属材料表面处理技术领域，具体而言，涉及一种高硬度38CrMoAl氮化钢的化学热处理方法。本方法对38CrMoAl材料没有尺寸和几何形状的限制。化学成分包括：Fe、C、N、Mn、Si、Cr、Mo、Al、S、P和其他残留元素，其中碳含量0.35％～0.42％。经过调质、表面处理、离子氮碳共渗和后处理；其中调质处理提高了材料的综合力学性能；空心阴极筒的使用提高了气体的电离几率，使得工件表面附近的电离密度增加；特定参数下的离子氮碳共渗使38CrMoAl表层组织发生调幅分解，转变为高氮马氏体。三个效果共同作用，不仅缩短了扩渗处理的时间，而且将38CrMoAl表面硬度提高到1200Hv以上。

Description

一种高硬度38CrMoAl氮化钢的化学热处理方法
技术领域
本申请属于金属材料表面处理技术领域，具体而言，涉及一种高硬度38CrMoAl氮化钢的化学热处理方法。
背景技术
空心阴极效应是一种特殊的放电现象，两个平行阴极置于真空容器中，当满足气体点燃条件时，在两个阴极附近形成阴极位降区。当两阴极的间距d、阴极放电长度Lk与阴极位降区宽度dk三者满足dk＜d/2，d＞Lk＞d/2关系时，将出现因两负辉区迭加而致光强增大的现象。利用空心阴极效应可以有效提高气体的电离和激发效率，提高等离子体密度。
调幅分解是过饱和固溶体在一定温度下通过溶质原子的上坡扩散形成结构相同而成分呈周期性波动的两种固溶体的过程。
38CrMoAl是一种常用的氮化钢，经表面处理后具有较好的耐磨性和较高的强度，同时具有良好的耐热性和耐腐蚀性。经热处理后可制作高精度、高耐磨零件，如磨床主轴、车床主轴、精密齿轮、压缩机活塞杆等。常见的处理方法有氮化、轧制、调质、退火等。申请号：CN201910267079.7公布了一种改善38CrMoAl钢轧态组织的轧制工艺，通过控制较低的终轧温度，使得38CrMoAl过程轧件在轧制过程中得到较大的压应力，改善组织均匀性，细化晶粒。但这种细化晶粒的方法不能有效提升38CrMoAl的硬度，限制了材料的使用场景。申请号：CN201611231284.0公布了一种高效控制38CrMoAl模具表层脉状氮化物形成的离子渗氮方法，通过高温氧化，提高了38CrMoAl工件表面氮含量，从而增大了材料表面氮浓度梯度。但该方法处理时间长达10小时，能耗较大。
对于38CrMoAl的表面处理，目前现有的处理技术已经遇到瓶颈，硬度很难提升到1100Hv以上，而且为了提升硬度而进行的表面处理技术一般耗时长、能耗高。
发明内容
本公开旨在解决上述问题之一，提出了一种高硬度38CrMoAl氮化钢的化学热处理方法，以有效提高38CrMoAl的表面硬度，并大大缩短加工时长。
本公开实施例提出的高硬度38CrMoAl氮化钢的化学热处理方法，包括以下步骤：
(1)对38CrMoAl氮化钢材料进行调质处理；
(2)对步骤(1)的38CrMoAl材料进行打磨、抛光和超声清洗；
(3)对步骤(2)的38CrMoAl材料进行离子氮碳共渗处理；
(4)对步骤(3)的38CrMoAl材料进行抛光。
以上高硬度38CrMoAl氮化钢的化学热处理方法，通过设定合适的扩渗温度、扩渗时长、气体比例，使得组织在降温阶段发生上坡扩散，通过调幅分解的方式获得含氮马氏体组织，，改变组织物相，从根本上找到了提高38CrMoAl表面硬度的方法。而且极大缩短了38CrMoAl的处理时长，一般的气体渗氮处理时长为20～30h，一般的离子渗氮处理时长为6～15h，本公开的处理时长在3h左右。经本公开实施例处理后的高硬度38CrMoAl氮化钢，表面硬度可以达到1200Hv以上，且相比于已有技术，极大缩短了处理时间。
在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述调质处理包括：在850℃～860℃的油中淬火，再次加热到550℃～560℃回火处理，空冷至室温。
在一些实施例中，所述步骤(2)中，所述对38CrMoAl材料进行打磨、抛光和超声清洗，使38CrMoAl材料表面的粗糙度小于Ra1.6。
在一些实施例中，对38CrMoAl材料进行离子氮碳共渗处理，包括以下步骤：
(1)将38CrMoAl材料置于真空和惰性气体中；
(2)加温至第一温度时，通入氨气和二氧化碳混合气体；
(3)继续升温至第二温度时，开始保温、保压；
(4)降温至第三温度时，停止通入氨气和二氧化碳混合气体，通入惰性气体；
(5)降温至第四温度时，停止通入惰性气体，完成38CrMoAl材料的离子氮碳共渗处理。
可选地，所述惰性气体为氩气、氦气和/或氖气。
可选地，所述第一温度为200℃～350℃，第一温度时通入的混合气体中，氨气与二氧化碳的流量比为1∶(0.04～0.06)。
可选地，所述第二温度为515～525℃，第二温度下保温时间为170～190min、保压250～350Pa。
可选地，所述第三温度为250℃～300℃。
可选地，第四温度为150℃以下。
可选地，所述对38CrMoAl材料进行抛光，使材料表面的粗糙度小于Ra1.6。
上述化学热处理方法，所处理的38CrMoAl材料的化学成分按照质量百分比计为：C：0.36～0.42，Si：0.20～0.42，Mn：0.35～0.58，P≤0.03，S≤0.03，Cr：1.35～1.65，Mo：0.15～0.24，Al：0.75～1.1，Cu：≤0.30，Ni：≤0.30，其它为Fe和残留元素。
根据本公开的实施例，经化学热处理后的38CrMoAl氮化钢与现有技术相比，本公开的有益效果如下：
1、根据本公开实施例，利用空心阴极效应，设计并应用了空心阴极筒，放置在38CrMoAl材料外侧，提高了材料附近的等离子体密度，从而增强了离子体对材料的轰击溅射作用，并加快了材料的升温过程。
2、通过设定合适的扩渗温度、扩渗时长、气体比例，使得组织在降温阶段发生上坡扩散，通过调幅分解的方式获得含氮马氏体组织，，改变组织物相，从根本上找到了提高38CrMoAl表面硬度的方法。
3、极大缩短了38CrMoAl的处理时长，一般的气体渗氮处理时长为20～30h，一般的离子渗氮处理时长为6～15h，本公开的处理时长在3h左右。经处理后，表面硬度可以达到1200Hv以上，且相比于已有技术，极大缩短了处理时间。
本公开附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显然，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本公开一个实施例的离子氮碳共渗处理过程的示意图。
图2是根据本公开实施例的离子氮碳共渗处理后38CrMoAl材料表面金相图。
图3是利用已有技术的离子氮碳共渗处理后38CrMoAl材料表面金相图。
图4是对图2、图3中38CrMoAl材料硬度测量结果。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，并不用于限定本申请。
根据本公开的实施例提出的高硬度38CrMoAl氮化钢的化学热处理方法，可以包括以下步骤：
(1)对38CrMoAl氮化钢材料进行调质处理；
(2)对步骤(1)的38CrMoAl材料进行打磨、抛光和超声清洗；
(3)对步骤(2)的38CrMoAl材料进行离子氮碳共渗处理；
(4)对步骤(3)的38CrMoAl材料进行抛光。
根据本公开的化学热处理方法，其中，所述步骤(1)中，所述调质处理包括：在850℃～860℃的油中淬火，再次加热到550℃～560℃回火处理，空冷至室温。
根据本公开的化学热处理方法，其中，所述步骤(2)中，对38CrMoAl材料进行打磨、抛光和超声清洗，使38CrMoAl材料表面的粗糙度小于Ra1.6。
根据本公开的化学热处理方法，其中，所述步骤(3)中，对38CrMoAl材料进行离子氮碳共渗处理，包括以下步骤：
(1)将38CrMoAl材料置于真空和惰性气体中；
(2)加温至第一温度时，通入氨气和二氧化碳混合气体；
(3)继续升温至第二温度时，开始保温、保压；
(4)降温至第三温度时，停止通入氨气和二氧化碳混合气体，通入惰性气体；
(5)降温至第四温度时，停止通入惰性气体，完成38CrMoAl材料的离子氮碳共渗处理。
本公开实施例中，对38CrMoAl材料进行等离子氮碳共渗(PlasmaNitrocarburizing，PNC)，利用辉光放电将气体电离，利用离子态气体对样品的轰击溅射进行扩渗，炉内升温较快，渗层厚度均匀，气体电离率较好。一般经过氮碳共渗的38CrMoAl材料表面硬度可以达到1000Hv以上，表层物相组成为氮化铁。
根据本公开的化学热处理方法，其中，离子氮碳共渗处理时的惰性气体为氩气、氦气和/或氖气。
根据本公开的化学热处理方法，其中，离子氮碳共渗处理时的第一温度为200℃～350℃，第一温度时通入的混合气体中，氨气与二氧化碳的流量比为1∶(0.04～0.06)。
根据本公开的化学热处理方法，其中，离子氮碳共渗处理时的第二温度为515～525℃，第二温度下保温时间为170～190min、保压250～350Pa。
根据本公开的化学热处理方法，其中，离子氮碳共渗处理时的第三温度为250℃～300℃。
根据本公开的化学热处理方法，其中，离子氮碳共渗处理时的第四温度为150℃以下。
根据本公开的化学热处理方法，所述(4)中，对步骤(3)的38CrMoAl材料进行抛光，使材料表面的粗糙度小于Ra1.6。
本公开实施例的化学热处理方法，处理的38CrMoAl材料的化学成分按照质量百分比计为：C：0.36～0.42，Si：0.20～0.42，Mn：0.35～0.58，P≤0.03，S≤0.03，Cr：1.35～1.65，Mo：0.15～0.24，Al：0.75～1.1，Cu：≤0.30，Ni：≤0.30，其它为Fe和残留元素。
以下结合图1，介绍本公开一个实施例中，高硬度38CrMoAl化学热处理方法的工作过程及原理如下：
工作过程：
1、38CrMoAl材料进行调质热处理，850℃～860℃淬油，550℃～560℃回火处理，冷却至室温。
2、将调质处理的38CrMoAl材料用砂纸打磨，在抛光机上抛光至无划痕，随后用丙酮(或石油醚)和酒精超声清洗并吹干，以保证金属工件表面的清洁。
3、将38CrMoAl材料放置在离子扩渗炉的炉体内，在材料外放置空心阴极筒，抽真空至50Pa以下，加高压600～700V，占空比从0开始增加(到13左右会发生辉光放电)，离化气体，维持该真空度10～30min；
4、向炉内通入惰性气体(如氩气、氦气和/或氖气等)，同时继续抽真空，将炉内气压维持在50～80Pa；
5、调节炉内的工作电压、占空比、气压，并使得炉内在惰性气体气氛下升温，以保证炉内进行稳定的辉光放电；
6、待炉内温度达到200～300℃时，停止向炉内通入惰性气体，向炉内通入氨气和二氧化碳的混合气体，两种气体的比例为1∶(0.04～0.06)，调节炉内的工作电压、占空比和气压维持升温；
7、待炉内温度达到515～525℃时，开始保温170～190min、保压250～350Pa；
8、保温、保压阶段结束后，缓慢降低炉内电压，使金属工件随炉冷却；同时停止通入混合气体，改通惰性气体，保持炉内气压在20～50Pa；
9、待炉内温度降低至100～150℃时，停止通入气体，打开离子扩渗炉，取出38CrMoAl材料。
10、将扩渗处理后的38CrMoAl材料抛光，除去表面氧化层。
上述工作过程的原理是：
1对38CrMoAl进行调质处理，调质处理可以使38CrMoAl的综合机械性能有较大的提升，强度、塑性、韧性，都有明显的提升。为扩渗处理打下良好的材料性能基础。
2、对38CrMoAl表面进行抛光处理，一方面可以去除金属表面的氧化膜，避免氧化膜对扩渗过程的阻碍；一方面可以降低材料表面粗糙度，有利于提高等离子体对表面轰击溅射的均匀性，也便于后续硬度的测定。
3、特定的扩渗参数的处理下，38CrMoAl表面发生调幅分解。这是一种上坡扩散机制，扩渗过程中，扩渗元素氮、碳进入金属晶格内，形成过饱和固溶体，固溶体中的元素扩散沿着化学势降低的方向进行，氮、碳元素作为溶质在富集区域进一步富化，在贫取进一步贫化，两个区域之间没有明显的分界线，成分是连续过度的。在分解过程中溶质原子由低浓度区向高浓度区扩散，即发生所谓的上坡扩散。这使得氮元素不再和铁元素结合形成氮化铁，而是以单质的形式富集在某一小区域，故而组织整体上形成固溶氮、碳元素的马氏体组织。富集的扩渗元素一方面增加了组织的位错等晶格缺陷，另一方面固溶在马氏体中阻碍晶格移动，加之马氏体自身硬度较高，三者共同作用下，突破了38CrMoAl硬度瓶颈。
下面是本公开的高硬度38CrMoAl化学热处理方法的具体示例，包括以下步骤：
1、将直径20mm、厚10mm的圆柱形38CrMoAl试样块在感应加热炉中加热到860℃，在油中淬火，再次加热到560℃回火处理，空冷至室温。
2、依次用标号为240#、400#、800#、1000#、1500#、2000#的砂纸将38CrMoAl试样块打磨光滑，在抛光机上抛光至无划痕，用丙酮和酒精超声清洗并吹干。
3、将38CrMoAl材料放置在离子扩渗炉的炉体内，在材料外放置空心阴极筒，抽真空至30Pa，加高压650V，占空比从0增加到15，电离气体，维持该真空度20min；
4、打开氩气瓶，向离子扩渗炉内通入氩气，同时保持抽真空进程，调节流量计给气，使气压维持在60Pa；
5、打开离子扩渗炉供电系统调节电压至650V、占空比30％，并同步调节氩气气压，使得炉内在惰性气体气氛下升温；
6、待炉内温度达到250℃时，关闭氩气瓶，向离子扩渗炉内通入氨气和二氧化碳，初始的氨气气压为47.5Pa，二氧化碳气压为2.5Pa，，并逐步增大电压、占空比、气体压力(保证两种气体比例不变)，保证炉内进行稳定的辉光放电在此状态下对炉内进行升温；
7、待炉内温度达到520℃时，保温3h，保压300Pa(氨气285Pa、二氧化碳15Pa)；
8、达到扩渗时间后，关闭离子扩渗炉的电源，使工件随炉冷却；同时降低混合气体的通入量，保持炉内气压在30Pa；
9、待炉内温度降至150℃时，停止通入气体，将38CrMoAl试样块从离子扩渗炉中取出。
10、将扩渗处理后的38CrMoAl试样块抛光，除去表面氧化层。
将本实施例处理得并抛光后的38CrMoAl试样块，用4％硝酸酒精腐蚀以观测扩渗层形貌。结果如图2所示。图3为已有技术的离子氮碳共渗处理后38CrMoAl材料的表面金相图，对比可以看出，两种扩渗层的组织形貌明显不同，图2中的组织均匀，呈针状，图3中的组织呈白色，主要组织为块状，是典型的氮化铁组织形貌。从图4结果中可以看出，本实施例处理得到高硬度38CrMoAl，表面硬度达到1253Hv。调质处理提高了材料的综合力学性能，空心阴极效应的利用提高了等离子体密度，特定参数下的离子氮碳共渗使38CrMoAl表层发生调幅分解，三个效果共同作用，不仅缩短了扩渗处理的时间，提高了表面硬度，还改变了表层组织结构，将物相从常规的氮化铁白亮层转变为含氮马氏体，使得38CrMoAl发生根本上的改性。
综上所述，本公开提出的高硬度38CrMoAl及化学热处理方法，通过调质处理、表面抛光、离子氮碳共渗处理、后处理，可以通过3h的扩渗处理，在38CrMoAl表面制得含氮马氏体组织，将表面硬度提高到＞1200Hv。具体地，调质处理提高了38CrMoAl材料的综合力学性能；空心阴极筒的使用提高了气体的电离几率，使得工件表面附近的电离密度增加，同时加快了筒内的温升；特定参数下的离子氮碳共渗使38CrMoAl表层组织发生调幅分解，转变为高氮马氏体。三个效果共同作用，不仅缩短了扩渗处理的时间，而且突破了氮化工艺在38CrMoAl上的硬度瓶颈，将38CrMoAl表面硬度提高到1200Hv以上。本公开对于提高38CrMoAl表面硬度和生产效率具有显著效果。

Claims (9)

1.一种高硬度38CrMoAl氮化钢的化学热处理方法，其特征在于，包括：
（1）对38CrMoAl氮化钢材料进行调质处理；
（2）对步骤（1）的38CrMoAl材料进行打磨、抛光和超声清洗；
（3）对步骤（2）的38CrMoAl材料进行离子氮碳共渗处理；
（4）对步骤（3）的38CrMoAl材料进行抛光，
在步骤（3）中，对38CrMoAl材料进行离子氮碳共渗处理，包括以下步骤：
（a）将38CrMoAl材料置于真空和惰性气体中；
（b）加温至第一温度时，通入氨气和二氧化碳混合气体；
（c）继续升温至第二温度时，开始保温、保压；
（d）降温至第三温度时，停止通入氨气和二氧化碳混合气体，通入惰性气体；
（e）降温至第四温度时，停止通入惰性气体，完成38CrMoAl材料的离子氮碳共渗处理，
在步骤（b）中，第一温度时通入的混合气体中，氨气与二氧化碳的流量比为1:（0.04~0.06）；
在步骤（c）中，所述第二温度为515~525℃，第二温度下保温时间为170~190min、保压250~350Pa，
并且，步骤（3）进行所述离子氮碳共渗处理过程中，所述38CrMoAl材料外围设有空心阴极筒，以提高所述38CrMoAl材料附近的等离子体密度，
所述高硬度38CrMoAl氮化钢的表层组织结构包括含氮马氏体。
2.根据权利要求1所述的化学热处理方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述调质处理包括：在850℃~860℃的油中淬火，再次加热到550℃~560℃回火处理，空冷至室温。
3.根据权利要求1所述的化学热处理方法，其特征在于，所述步骤（2）中，对38CrMoAl材料进行打磨、抛光和超声清洗，使38CrMoAl材料表面的粗糙度小于Ra1.6。
4.根据权利要求1所述的化学热处理方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气、氦气和/或氖气。
5.根据权利要求1所述的化学热处理方法，其特征在于，所述第一温度为200℃~350℃。
6.根据权利要求1所述的化学热处理方法，其特征在于，所述第三温度为250℃~300℃。
7.根据权利要求1所述的化学热处理方法，其特征在于，所述第四温度为150℃以下。
8.根据权利要求1所述的化学热处理方法，其特征在于，步骤（4）对38CrMoAl材料进行抛光，使材料表面的粗糙度小于Ra1.6。
9.根据权利要求1所述的化学热处理方法，其特征在于，处理的38CrMoAl材料的化学成分按照质量百分比计为：C：0.36～0.42，Si：0.20～0.42，Mn：0.35～0.58，P≤0.03，S≤0.03，Cr：1.35～1.65，Mo：0.15～0.24，Al：0.75～1.1，Cu：≤0.30，Ni：≤0.30，其它为Fe和残留元素。
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