CN114000095B - 一种拖拉机车桥用行星轴表面碳氮共渗处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种拖拉机车桥用行星轴表面碳氮共渗处理方法，包括助渗预处理，碳氮共渗处理，淬火回火处理；助渗预处理包括表面处理，制备助渗涂覆液，烘干烧结；碳氮共渗所用碳氮共渗剂由碳酸钠、碳酸钡、Mo3N2、四氟硼酸钠、氯化钠、氯化钾按质量比30~46:23~36:28~33:1~4:5~9:1~3组成。采用本发明碳氮共渗处理方法得到的拖拉机车桥用行星轴，淬火硬度表面59~63HRC，R/2处48~51HRC，芯部28~30HRC；回火组织表面为S回1~2级，R/2为S回1~2级，芯部为2~3级；疲劳寿命（90%存活率下）60~65万次。

Description

一种拖拉机车桥用行星轴表面碳氮共渗处理方法
技术领域
本发明涉及一种拖拉机车桥用行星轴表面碳氮共渗处理方法，属于金属表面处理技术领域。
背景技术
车桥行星轴是车辆动力传递系统中的驱动部件，发动机提供的动力通过行星轴传递给齿轮及末端，是车辆最重要的部件之一。车桥行星轴在车辆行驶过程中受力比较复杂，可能同时受到弯曲、扭转、拉压等形式的交变载荷和冲击载荷，尤其像拖拉机这种农用车辆，行驶环境可能是山区丘陵陡坡地段，水田泥泞作业区，平原松软土壤之中，这些恶劣路况下，拖拉机大部分在超负荷工况下运行，其车桥行星轴输出扭矩很大，所以拖拉机车桥行星轴具有的机械强度和机械性能要比一般汽车车桥行星轴高的多，因此如何使拖拉机车桥行星轴具有足够高的耐磨、抗弯、抗扭、抗疲劳强度和韧性是拖拉机生产企业必须攻克的技术难题。
车桥行星轴要获得优异的力学性能，除了避免铸造过程中出现的裂纹、杂质及折叠等破坏金属晶相组织连续性的缺陷以外，还要具备致密的流线状晶相组织，这一般要通过精密的表面热处理和基体热处理工艺来实现，因此热处理工艺成为影响车桥行星轴质量好坏的关键制程因素之一。
中国专利CN105586565A公开了一种轴承套圈强化耐磨的碳氮共渗热处理工艺，依次包括以下步骤：升温，保温，降温，扩散，淬火等待，淬火，漏油，冷冻，回火。本发明能够使轴承套圈具有更高的表面强度，轴承套圈表面耐磨性显著增强，有效提高轴承的使用寿命，降低轴承长久使用所导致的安全隐患。该专利运用气相碳氮共渗方法，主要是为了提高轴承的表面耐磨性，并未提高金属制品的韧性和抗疲劳强度方面的性能。
中国专利CN108754408A公开了一种控制轴承隔环表面硬度的方法，将轴承隔环置于网带炉内进行碳氮共渗热处理，且热处理过程采用阶梯升温、对称加热方式，对热处理后的轴承隔环进行二次机加工，即可，本发明可以动态控制轴承隔环的表面硬度，促使成品的表面硬度和硬化层厚度较均匀。该专利披露的碳氮共渗处理工艺只是针对制品表面硬度的提高，不能同时提高制品的强度、韧性及抗疲劳强度等性能。
综合以上可以看出，针对拖拉机车桥行星轴普遍使用的40Cr合金钢，还未有比较好的碳氮共渗处理工艺以满足拖拉机这一特殊农用机械对行星轴的苛刻使用要求，因此开发一种针对40Cr合金钢材质的碳氮共渗热处理工艺，能够同时提高行星轴制品的强度、韧性和抗疲劳强度对拖拉机车桥生产企业提升产品品质具有关键作用。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种拖拉机车桥用行星轴表面碳氮共渗处理方法，实现以下发明目的：开发出适合40Cr合金钢材质的碳氮共渗处理方法，通过该方法处理后的拖拉机车桥用行星轴能拥有高强度、良好韧性和优异的抗疲劳强度。
为实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：
一种拖拉机车桥用行星轴表面碳氮共渗处理方法，包括助渗预处理，碳氮共渗处理，淬火回火处理；所述助渗预处理，包括表面处理，制备助渗涂覆液，烘干烧结；
所述制备助渗涂覆液，将酸化的(NH4)2MoO4水溶液滴入Ce2(SO4)3酸液中，滴加完毕后搅拌至澄清透明，然后调节混合液的pH=5.5~6.5，继续搅拌至溶液变成黏糊状，得到助渗涂覆液；
所述碳氮共渗处理，所用碳氮共渗剂为碳酸钠、碳酸钡、Mo3N2、四氟硼酸钠、氯化钠、氯化钾的混合物；
所述碳酸钠、碳酸钡、Mo3N2、四氟硼酸钠、氯化钠、氯化钾的质量比为30~46:23~36:28~33:1~4:5~9:1~3。
以下是对上述技术方案的进一步改进：
步骤1助渗预处理
（1）表面处理
将铸造好的行星轴件于840~890℃真空高温退火1~1.5小时，冷却至室温后，经除油、除锈、干燥后进行表面机械研磨处理；
所述行星轴件的材质为40Cr合金钢；
所述表面机械研磨处理，真空条件下高频发生器振动频率50Hz，不锈钢弹丸直径3毫米，处理时间20~40分钟。
（2）制备助渗涂覆液
(NH4)2MoO4水溶液加入柠檬酸调节pH=3~4，得到酸化的(NH4)2MoO4水溶液；
Ce2(SO4)3溶于稀硫酸中，加入草酸搅拌溶解后得到Ce2(SO4)3酸液，控制搅拌速率800~1100转/分，温度76~90℃，向Ce2(SO4)3酸液中滴加酸化的(NH4)2MoO4水溶液，滴加完毕后搅拌至澄清透明，然后加入氨水调节pH=5.5~6.5，继续搅拌至溶液变成黏糊状，冷却至室温后得到助渗涂覆液；
所述(NH4)2MoO4水溶液，(NH4)2MoO4质量分数为11~16%；
所述Ce2(SO4)3加入量为稀硫酸质量的25~33%；
所述稀硫酸质量浓度为15~30wt%；
所述草酸加入量为Ce2(SO4)3质量的26~38%；
所述酸化的(NH4)2MoO4水溶液，滴加速度为0.1~0.2mL/s，加入量为Ce2(SO4)3质量的85~96%。
（3）烘干烧结
将助渗涂覆液均匀涂覆至行星轴件的表面，涂覆湿膜厚度为20~35微米，然后75~90℃下烘干2~3小时，烘干后将行星轴件放入预热炉中，1.5~3.5℃/min升温至400~480℃并恒温2~4小时后，再以2.5~4℃/min升温至860~960℃恒温烧结30~45分钟；
步骤2碳氮共渗处理
将碳氮共渗剂放入盐浴坩埚炉中，加热至860~960℃，然后将助渗预处理的行星轴件趁热浸入碳氮共渗剂中，浸渍3~6小时；
所述碳氮共渗剂，由碳酸钠、碳酸钡、Mo3N2、四氟硼酸钠、氯化钠、氯化钾按质量比30~46:23~36:28~33:1~4:5~9:1~3组成。
步骤3淬火回火处理
淬火剂先恒温至40~55℃，然后将碳氮共渗处理完成的高温行星轴件趁热迅速浸入淬火剂中，淬火20~45分钟，淬火完成后冷却至室温，2小时之内将行星轴件放于回火炉内，加热至530~580℃，保温80~110分钟，取出空冷至室温后得到行星轴成品；
所述淬火剂，其组成为聚乙烯醇9~12wt%，三乙醇胺1~2wt%，亚硝酸钠1~2wt%，苯甲酸钠0.3~0.6wt%，磺化蓖麻油0.04~0.07wt%，去离子水补足不足100wt%部分。
与现有技术相比，本发明取得以下有益效果：
1、本发明制备了钼铈纳米助渗涂层并结合自主设计的高温熔融液态碳氮共渗剂，对行星轴件进行了液体碳氮共渗处理，同时配合淬火及回火处理，得到了强度、韧性和抗疲劳性能优异的拖拉机车桥行星轴；
2、本发明通过自制的环保淬火剂对行星轴铸件做了淬火处理，得到了表面、R/2、芯部三个位置硬度都非常高的车桥行星轴；
3、采用本发明碳氮共渗处理方法处理得到的拖拉机车桥行星轴，淬火硬度表面为59~63HRC，R/2为48~51HRC，芯部28~30HRC；回火组织表面为S回1~2级，R/2为S回1~2级，芯部为2~3级；疲劳寿命（90%存活率下寿命）60万~65万次。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：一种拖拉机车桥用行星轴表面碳氮共渗处理方法
包括以下步骤：
1、助渗预处理
（1）表面处理
将铸造好的行星轴件于860℃真空高温退火1.2小时，冷却至室温后，经除油、除锈、干燥后进行表面机械研磨处理；
所述行星轴件的材质为40Cr合金钢；
所述表面机械研磨处理，真空条件下高频发生器振动频率50Hz，不锈钢弹丸直径3毫米，处理时间30分钟；
（2）制备助渗涂覆液
质量分数为14%的 (NH4)2MoO4水溶液加入柠檬酸调节pH=3.4，得到酸化的(NH4)2MoO4水溶液；6千克Ce2(SO4)3溶于20千克质量浓度21wt%稀硫酸中，加入1.92千克草酸搅拌溶解后得到Ce2(SO4)3酸液，控制搅拌速率950转/分，温度83℃，向Ce2(SO4)3酸液中以0.12mL/s的速率滴加25.13千克酸化的(NH4)2MoO4水溶液，滴加完毕后搅拌至澄清透明，然后加入氨水调节pH=5.8，继续搅拌至溶液变成黏糊状，冷却至室温后得到助渗涂覆液；
（3）烘干烧结
将助渗涂覆液均匀涂覆至行星轴件的表面，涂覆湿膜厚度为28微米，然后80℃下烘干2.6小时，烘干后将行星轴件放入预热炉中，2℃/min升温至450℃并恒温2.5小时后，再以3℃/min升温至920℃恒温烧结36分钟。
2、碳氮共渗处理
将碳氮共渗剂放入盐浴坩埚炉中，加热至920℃，然后将助渗预处理的行星轴件趁热浸入碳氮共渗剂中，浸渍5小时；
所述碳氮共渗剂，由碳酸钠、碳酸钡、Mo3N2、四氟硼酸钠、氯化钠、氯化钾按质量比40:29:30:2:7:2组成。
3、淬火回火处理
淬火剂先恒温至50℃，然后将碳氮共渗处理完成的高温行星轴件趁热迅速浸入淬火剂中，淬火30分钟，淬火完成后冷却至室温，2小时之内将行星轴件放于回火炉内，加热至560℃，保温95分钟，取出空冷至室温后得到行星轴成品；
所述淬火剂，其组成为聚乙烯醇10wt%，三乙醇胺1.8wt%，亚硝酸钠1.3wt%，苯甲酸钠0.5wt%，磺化蓖麻油0.06wt%，其余86.34wt%部分为去离子水。
实施例2：一种拖拉机车桥用行星轴表面碳氮共渗处理方法
包括以下步骤：
1、助渗预处理
（1）表面处理
将铸造好的行星轴件于840℃真空高温退火1小时，冷却至室温后，经除油、除锈、干燥后进行表面机械研磨处理；
所述行星轴件的材质为40Cr合金钢；
所述表面机械研磨处理，真空条件下高频发生器振动频率50Hz，不锈钢弹丸直径3毫米，处理时间20分钟；
（2）制备助渗涂覆液
质量分数为11%的 (NH4)2MoO4水溶液加入柠檬酸调节pH=3，得到酸化的(NH4)2MoO4水溶液；6千克Ce2(SO4)3溶于24千克质量浓度15wt%稀硫酸中，加入1.56千克草酸搅拌溶解后得到Ce2(SO4)3酸液，控制搅拌速率800转/分，温度76℃，向Ce2(SO4)3酸液中以0.1mL/s的速率滴加26.83千克酸化的(NH4)2MoO4水溶液，滴加完毕后搅拌至澄清透明，然后加入氨水调节pH=5.5，继续搅拌至溶液变成黏糊状，冷却至室温后得到助渗涂覆液；
（3）烘干烧结
将助渗涂覆液均匀涂覆至行星轴件的表面，涂覆湿膜厚度为20微米，然后75℃下烘干2小时，烘干后将行星轴件放入预热炉中，1.5℃/min升温至400℃并恒温2小时后，再以2.5℃/min升温至860℃恒温烧结30分钟。
2、碳氮共渗处理
将碳氮共渗剂放入盐浴坩埚炉中，加热至860℃，然后将助渗预处理的行星轴件趁热浸入碳氮共渗剂中，浸渍3小时；
所述碳氮共渗剂，由碳酸钠、碳酸钡、Mo3N2、四氟硼酸钠、氯化钠、氯化钾按质量比30:23:28:1:5:1组成。
3、淬火回火处理
淬火剂先恒温至40℃，然后将碳氮共渗处理完成的高温行星轴件趁热迅速浸入淬火剂中，淬火20分钟，淬火完成后冷却至室温，2小时之内将行星轴件放于回火炉内，加热至530℃，保温80分钟，取出空冷至室温后得到行星轴成品；
所述淬火剂，其组成为聚乙烯醇9wt%，三乙醇胺1wt%，亚硝酸钠1wt%，苯甲酸钠0.3wt%，磺化蓖麻油0.04wt%，其余88.66wt%部分为去离子水。
实施例3：一种拖拉机车桥用行星轴表面碳氮共渗处理方法
包括以下步骤：
1、助渗预处理
（1）表面处理
将铸造好的行星轴件于890℃真空高温退火1.5小时，冷却至室温后，经除油、除锈、干燥后进行表面机械研磨处理；
所述行星轴件的材质为40Cr合金钢；
所述表面机械研磨处理，真空条件下高频发生器振动频率50Hz，不锈钢弹丸直径3毫米，处理时间40分钟；
（2）制备助渗涂覆液
质量分数为16%的 (NH4)2MoO4水溶液加入柠檬酸调节pH=4，得到酸化的(NH4)2MoO4水溶液；6.6千克Ce2(SO4)3溶于20千克质量浓度30wt%稀硫酸中，加入2.51千克草酸搅拌溶解后得到Ce2(SO4)3酸液，控制搅拌速率1100转/分，温度90℃，向Ce2(SO4)3酸液中以0.2mL/s的速率滴加27.95千克酸化的(NH4)2MoO4水溶液，滴加完毕后搅拌至澄清透明，然后加入氨水调节pH=6.5，继续搅拌至溶液变成黏糊状，冷却至室温后得到助渗涂覆液；
（3）烘干烧结
将助渗涂覆液均匀涂覆至行星轴件的表面，涂覆湿膜厚度为35微米，然后90℃下烘干3小时，烘干后将行星轴件放入预热炉中，3.5℃/min升温至480℃并恒温4小时后，再以4℃/min升温至960℃恒温烧结45分钟。
2、碳氮共渗处理
将碳氮共渗剂放入盐浴坩埚炉中，加热至960℃，然后将助渗预处理的行星轴件趁热浸入碳氮共渗剂中，浸渍6小时；
所述碳氮共渗剂，由碳酸钠、碳酸钡、Mo3N2、四氟硼酸钠、氯化钠、氯化钾按质量比46:36:33:4:9:3组成。
3、淬火回火处理
淬火剂先恒温至55℃，然后将碳氮共渗处理完成的高温行星轴件趁热迅速浸入淬火剂中，淬火45分钟，淬火完成后冷却至室温，2小时之内将行星轴件放于回火炉内，加热至580℃，保温110分钟，取出空冷至室温后得到行星轴成品；
所述淬火剂，其组成为聚乙烯醇12wt%，三乙醇胺2wt%，亚硝酸钠2wt%，苯甲酸钠0.6wt%，磺化蓖麻油0.07wt%，其余83.33wt%部分为去离子水。
性能测试：依照《GB/T 24653-2009农业轮式拖拉机半轴技术条件》中对轴热处理性能要求部分对实施例1、2、3中得到的拖拉机车桥行星轴进行性能测试；疲劳寿命依照《GB21957-2008农业轮式拖拉机半轴和驱动轴台架疲劳寿命试验方法》进行测试，结果见下表：
Figure 531750DEST_PATH_IMAGE001

Claims (7)

1.一种拖拉机车桥用行星轴表面碳氮共渗处理方法，其特征在于：包括助渗预处理，碳氮共渗处理，淬火回火处理；所述助渗预处理，包括表面处理，制备助渗涂覆液，烘干烧结；
所述制备助渗涂覆液，将酸化的(NH4)2MoO4水溶液滴入Ce2(SO4)3酸液中，滴加完毕后搅拌至澄清透明，然后调节混合液的pH=5.5~6.5，继续搅拌至溶液变成黏糊状，得到助渗涂覆液；
所述酸化的(NH4)2MoO4水溶液，用柠檬酸将(NH4)2MoO4水溶液的pH调节至3~4；
所述(NH4)2MoO4水溶液质量分数为11~16wt%；
所述酸化的(NH4)2MoO4水溶液的滴加速度为0.1~0.2mL/s，加入量为Ce2(SO4)3质量的85~96%；
所述碳氮共渗处理，所用碳氮共渗剂为碳酸钠、碳酸钡、Mo3N2、四氟硼酸钠、氯化钠、氯化钾的混合物；
所述碳酸钠、碳酸钡、Mo3N2、四氟硼酸钠、氯化钠、氯化钾的质量比为30~46:23~36:28~33:1~4:5~9:1~3；
所述淬火回火处理中，所用淬火剂的组成为聚乙烯醇9~12wt%，三乙醇胺1~2wt%，亚硝酸钠1~2wt%，苯甲酸钠0.3~0.6wt%，磺化蓖麻油0.04~0.07wt%，去离子水补足不足100wt%部分。
2.根据权利要求1所述的一种拖拉机车桥用行星轴表面碳氮共渗处理方法，其特征在于：所述Ce2(SO4)3酸液，由Ce2(SO4)3溶于稀硫酸中，加入草酸搅拌溶解后得到；所述稀硫酸质量浓度为15~30wt%；所述Ce2(SO4)3加入量为稀硫酸质量的25~33%；所述草酸加入量为Ce2(SO4)3质量的26~38%。
3.根据权利要求1所述的一种拖拉机车桥用行星轴表面碳氮共渗处理方法，其特征在于：所述烘干烧结，将助渗涂覆液均匀涂覆至表面处理后的行星轴件的表面，涂覆湿膜厚度为20~35微米，然后75~90℃下烘干2~3小时后，将行星轴件放入预热炉中，1.5~3.5℃/min升温至400~480℃并恒温2~4小时后，再以2.5~4℃/min升温至860~960℃恒温烧结30~45分钟。
4.根据权利要求1所述的一种拖拉机车桥用行星轴表面碳氮共渗处理方法，其特征在于：所述表面处理，将行星轴件于840~890℃真空高温退火1~1.5小时，冷却至室温后，经除油、除锈、干燥后进行表面机械研磨处理。
5.根据权利要求4所述的一种拖拉机车桥用行星轴表面碳氮共渗处理方法，其特征在于：所述行星轴件的材质为40Cr合金钢；所述表面机械研磨处理，真空条件下高频发生器振动频率50Hz，不锈钢弹丸直径3毫米，处理时间20~40分钟。
6.根据权利要求1所述的一种拖拉机车桥用行星轴表面碳氮共渗处理方法，其特征在于：所述碳氮共渗处理，将碳氮共渗剂加热至860~960℃，然后将助渗预处理的行星轴件趁热浸入碳氮共渗剂中，浸渍3~6小时。
7.根据权利要求1所述的一种拖拉机车桥用行星轴表面碳氮共渗处理方法，其特征在于：所述淬火回火处理，淬火剂先恒温至40~55℃，然后将碳氮共渗处理完成的高温行星轴件趁热迅速浸入淬火剂中，淬火20~45分钟，淬火完成后冷却至室温，2小时之内进行回火处理，加热至530~580℃，保温80~110分钟，取出空冷至室温后得到行星轴成品。
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Denomination of invention: A Method of Carbonitriding Surface of Planetary Shaft for Tractor Axle

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Pledgee: Weifang Bank Co.,Ltd. Fenghuangshan sub branch

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