CN114481007A - 一种渗碳轴承钢热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及轴承热处理领域，具体公开了一种渗碳轴承钢热处理工艺，渗碳轴承钢热处理工艺包括以下步骤：渗碳淬火步骤，细化处理步骤，二次淬火步骤和低温回火步骤；细化处理步骤：将温度升至750‑840℃，并保温1‑2h，随后迅速淬入油中冷却，气氛为无机气体与有机气体的混合气体，无机气体从升温时通入，有机气体在保温阶段通入至保温结束后停止。通过本申请的热处理工艺，可显著提高生产效率，同时改善轴承零件的质量。
Description
技术领域
本申请涉及轴承热处理的领域，更具体地说，它涉及一种渗碳轴承钢热处理工艺。
背景技术
渗碳轴承钢G20Cr2Ni4制轴承零件，其深层渗碳(硬化层深度≥2.5mm)热处理工艺通常为：渗碳淬火→高温回火(2-3次)→二次淬火+低温回火。尤其针对渗碳轴承钢G20Cr2Ni4而言，若轴承零件要求硬化层深度≥4mm，为使二次淬火后表层组织合格，必须经过两次高温回火，保证二次淬火后表层组织及硬度合格。因此，高温回火是必须工序。
一次高温回火步骤的总时间包括升温、保温和降温过程，大约在10小时左右，整个步骤时间长，效率低；在工件完成渗碳淬火步骤后，进行二次淬火步骤前，产品的生产效率为150件/天，生产效率低。
发明内容
为显著提高生产效率，本申请提供一种渗碳轴承钢热处理工艺。
本申请提供一种渗碳轴承钢热处理工艺，采用如下的技术方案：
一种渗碳轴承钢热处理工艺，包括以下步骤：渗碳淬火步骤，细化处理步骤，二次淬火步骤和低温回火步骤；
细化处理步骤：将温度升至750-840℃，并保温1-2h，随后迅速淬入油中冷却，气氛为无机气体与有机气体的混合气体，无机气体从升温时通入，有机气体在保温期间通入至保温结束后停止。
在传统工艺中，高温回火是必经步骤，而本申请省略两次高温回火的工艺步骤，解决传统工艺中的技术偏见，将两次高温回火步骤优化为细化处理工艺，传统工艺中采用两次高温回火时间共约20h，本申请细化处理步骤包括升温和冷却的时间约为4h，单个工件从原来耗费的20h左右降低到4h左右，大幅度的节省了生产时间。
其次，若采用传统工艺的高温回火步骤，则需采用特定的高温回火设备，且高温回火步骤的时间长，企业能耗和成本都很高，传统工艺中需进行两次高温回火，则需占用两台高温回火设备，而优化后只需在一台设备上进行细化处理步骤和二次淬火步骤，减少上料和下料的次数，节省操作时间，提高生产效率。
由于传统的高温回火步骤中，只能采用氮气作为保护气氛，期间会造成工件表面氧化，外观质量差，因此在传统的高温回火步骤完成后，工件需及时对工件进行喷砂处理。而采用本申请的热处理工艺中，采用有机气体与无机气体混合作为保护气氛，期间工件表面无氧化情况，无需在细化处理步骤后对工件进行喷砂处理，不仅节约了时间，提高了生产效率，而且也减少了喷砂处理的成本支出。在细化处理步骤中，保温完成后便迅速淬入油中冷却，进一步保证产品表面无氧化情况，改善产品表层组织。
传统热处理工艺效率为150件/天，本申请的工艺效率为750件/天，生产效率显著提升，企业产能明显扩大，解决了轴承零件热处理工艺中的瓶颈工序。同时，通过本申请的热处理工艺后，还能进一步改善产品的表面硬度，提高产品质量。
优选的，细化处理步骤中，有机气体选自甲醇、天然气或丙烷中的任意两种。
通过采用上述技术方案，优化有机气体的选择，保证安全生产的同时，减少工件在处理过程中表面被氧化的可能和产品脱碳的情况，改善产品的外观质量，同时省去后续的喷砂处理步骤，进一步节省生产时间并降低企业成本，提高生产效率。
优选的，细化处理步骤中，有机气体为甲醇和天然气。
通过采用上述技术方案，甲醇和天然气成本低，来源广泛，两者配合使用以使得产品表面无氧化，既提高了产品质量，又能节省喷砂处理步骤耗费的成本和时间，提高生产效率。
优选的，细化处理步骤中，甲醇从开始保温时通入至保温结束后停止；保温期间，通入天然气控制碳势，碳势0.8％-1％；甲醇的流量为2.5-3.5L/h，天然气的流量为0.2-0.8m3/h。
通过采用上述技术方案，甲醇在开始保温时通入，炉内温度已高于750℃，保证安全生产的同时，无机气体和有机气体协同，有效防止产品表面被氧化，同时防止产品脱碳，既提高了产品质量，又能节省喷砂处理步骤耗费的时间，提高生产效率。优化通入甲醇和天然气的流量，保证产品质量要求的同时，节省企业成本。
优选的，细化处理步骤中，无机气体为氮气，氮气的流量为：2.0-3.0m3/h。
通过采用上述技术方案，优化无机气体的选择，保证安全生产的同时，以利于与有机气体一起防止产品表面被氧化，既提高了产品质量，又能节省喷砂处理步骤耗费的时间，提高生产效率。
优选的，渗碳淬火步骤包括强渗阶段、扩散阶段、保温阶段和冷却阶段；
强渗阶段：将温度升至920-940℃，并保温60-70h；
扩散阶段：温度为920-940℃，保温14-18h；
保温阶段：温度降至860-880℃，保温8-12h；
全程通入RX气体。
通过采用上述技术方案，优化渗碳淬火步骤的工艺条件，保证轴承钢硬化层深度≥4mm，根据硬化层深度的不同，可适当调整渗碳淬火步骤中强渗阶段和扩散阶段的保温时间，从而达到产品的硬化层深度的要求。
优选的，渗碳淬火步骤中，通入天然气控制碳势；
强渗阶段，碳势1.2％-1.35％；
扩散阶段，碳势1.0％-1.2％；
保温阶段，碳势0.85％-1.0％。
通过采用上述技术方案，将碳势控制在合理范围，以改善产品的渗碳层均匀性，以使得产品表面无粗大碳化物，使得产品具有良好的表层组织，外观质量佳。
优选的，二次淬火步骤：将温度升至780-820℃，并保温1.5-2.5h，随后迅速淬入油中冷却；保温期间，通入天然气控制碳势；碳势0.8％-1％。
优选的，低温回火步骤：将温度升至150-220℃，并保温5-10h，随后冷却至常温。
通过采用上述技术方案，优化二次淬火步骤和低温回火步骤的工艺条件，进一步保证产品的质量。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、通过本申请的处理工艺，在工件完成渗碳淬火步骤后，进行二次淬火步骤前，工艺效率从150件/天提升至750件/天，显著的改善了企业的生产效率，同时提高了产品的表面硬度。
2、本申请中采用有机气体与无机气体混合作为保护气氛，期间工件表面无氧化情况，无需在细化处理步骤后对工件进行喷砂处理，不仅节约了时间，提高了生产效率，而且也减少了喷砂处理的成本支出。在细化处理步骤中，保温完成后便迅速淬入油中冷却，保证产品表面无氧化情况，改善产品表层组织。
附图说明
图1是本申请实施例6制得的产品的表层组织金相图；
图2是对比例1制得的产品的表层组织金相图。
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。
在渗碳轴承钢G20Cr2Ni4制轴承零件的过程中，目前各企业和相关专业文献中都要求必须经过高温回火工序，回火温度为650-700℃，整个高温回火步骤的总时间在10h左右，耗费时间长，导致产品生产效率低，此为轴承零件制造过程中的瓶颈工艺。在研究过程中，发明人大胆尝试并发现，直接省略高温回火步骤，通过处理温度、保温时间、保护气氛以及冷却方式的协同配合，可以在显著改善产品的生产效率的同时，提高产品的质量。本发明就是在此基础上得出的。
实施例
实施例1
渗碳轴承钢热处理工艺，包括以下步骤：
渗碳淬火步骤：升温前开始通入RX气体进行排气，排气时间为1h，RX气体全程持续性的通入，RX气体的流量为5m3/h；
强渗阶段：将炉内温度升至920℃，并保温70h；保温期间碳势设定值为1.2％，碳势低于设定值，通入天然气，天然气的流量为0.2m3/h，碳势高于设定值，停止通入天然气；
扩散阶段：在940℃的温度条件下保温14h；保温期间碳势设定值为1.0％，碳势低于设定值，通入天然气，天然气的流量为0.2m3/h，碳势高于设定值，停止通入天然气；
保温阶段：将温度降至860℃，保温8h；保温期间碳势设定值为0.9％，碳势低于设定值，通入天然气，天然气的流量为0.2m3/h，碳势高于设定值，停止通入天然气；
冷却阶段：将保温阶段完成后的产品迅速淬入油温为60℃的油中冷却；
细化处理步骤：将渗碳淬火步骤完成后的产品置于750℃的温度中保温2h，随后迅速淬入油温为60℃的油中冷却；全程通入氮气保护，流量为3.0m3/h，甲醇从开始保温时通入至保温结束后停止，甲醇的流量为2.5L/h；在保温期间，碳势设定值为0.8％，碳势低于设定值，通入天然气，天然气的流量为0.2m3/h，碳势高于设定值，停止通入天然气；
二次淬火步骤：将细化处理步骤完成后的产品置于780℃的温度中保温1.5h，随后迅速淬入油温为60℃的油中冷却；全程通入氮气保护，流量为2.0m3/h；在保温期间，碳势设定值为0.8％，碳势低于设定值，通入天然气，天然气的流量为0.2m3/h，碳势高于设定值，停止通入天然气；
低温回火步骤：将二次淬火步骤完成后的产品置于150℃的温度中保温10h，随后冷却至常温。
实施例2
渗碳轴承钢热处理工艺，包括以下步骤：
渗碳淬火步骤：
强渗阶段：将炉内温度升至940℃，并保温60h；保温期间碳势设定值为1.35％，碳势低于设定值，通入天然气，天然气的流量为0.8m3/h，碳势高于设定值，停止通入天然气；
扩散阶段：在940℃的温度条件下保温18h；保温期间碳势设定值为1.2％，碳势低于设定值，通入天然气，天然气的流量为0.8m3/h，碳势高于设定值，停止通入天然气；
保温阶段：将温度降至880℃，保温12h；保温期间碳势设定值为0.85％，碳势低于设定值，通入天然气，天然气的流量为0.8m3/h，碳势高于设定值，停止通入天然气；
冷却阶段：将保温阶段完成后的产品迅速淬入油温为60℃的油中冷却；
在强渗阶段升温前先通入RX气体进行排气，排气时间为1h，RX气体在渗碳淬火步骤中全程通入，通入的RX气体流量为7m3/h；
细化处理步骤：将渗碳淬火步骤完成后的产品置于750℃的温度中保温2h，随后迅速淬入油温为60℃的油中冷却；全程通入氮气保护，流量为3.0m3/h，甲醇从开始保温时通入至保温结束后停止，甲醇的流量为2.5L/h；在保温期间，碳势设定值为0.8％，碳势低于设定值，通入天然气，天然气的流量为0.8m3/h，碳势高于设定值，停止通入天然气；
二次淬火步骤：将细化处理步骤完成后的产品置于820℃的温度中保温2.5h，随后迅速淬入油温为60℃的油中冷却；全程通入氮气保护，流量为2.0m3/h；在保温期间，碳势温度设定值1.0％，碳势低于设定值，通入天然气，天然气的流量为0.2m3/h，碳势高于设定值，停止通入天然气；
低温回火步骤：将二次淬火步骤完成后的产品置于220℃的温度中保温5h，随后冷却至常温。
实施例3
渗碳轴承钢热处理工艺，包括以下步骤：
渗碳淬火步骤：
强渗阶段：将炉内温度升至930℃，并保温63h；保温期间碳势设定值为1.3％，碳势低于设定值，通入天然气，天然气的流量为0.5m3/h，碳势高于设定值，停止通入天然气；
扩散阶段：在920℃的温度条件下保温15h；保温期间碳势设定值为1.0％，碳势低于设定值，通入天然气，天然气的流量为0.5m3/h，碳势高于设定值，停止通入天然气；
保温阶段：将温度降至880℃，保温10h；保温期间碳势设定值为1.0％，碳势低于设定值，通入天然气，天然气的流量为0.5m3/h，碳势高于设定值，停止通入天然气；
冷却阶段：将保温阶段完成后的产品迅速淬入油温为60℃的油中冷却；
在强渗阶段升温前先通入RX气体进行排气，排气时间为1h，RX气体在渗碳淬火步骤中全程通入，通入的RX气体流量为7m3/h；
细化处理步骤：将渗碳淬火步骤完成后的产品置于750℃的温度中保温2h，随后迅速淬入油温为60℃的油中冷却；全程通入氮气保护，流量为3.0m3/h，甲醇从开始保温时通入至保温结束后停止，甲醇的流量为3L/h；在保温期间，碳势设定值为0.9％，碳势低于设定值，通入天然气，天然气的流量为0.5m3/h，碳势高于设定值，停止通入天然气；
二次淬火步骤：将细化处理步骤完成后的产品置于800℃的温度中保温2h，随后迅速淬入油温为60℃的油中冷却；全程通入氮气保护，流量为2.5m3/h；在保温期间，碳势设定值为0.9％，碳势低于设定值，通入天然气，天然气的流量为0.5m3/h，碳势高于设定值，停止通入天然气；
低温回火步骤：将二次淬火步骤完成后的产品置于180℃的温度中保温7h，随后冷却至常温。
实施例4
与实施例3的区别在于，细化处理步骤：将渗碳淬火步骤完成后的产品置于780℃的温度中保温1h，随后迅速淬入油温为60℃的油中冷却；全程通入氮气保护，流量为3.0m3/h，甲醇从开始保温时通入至保温结束后停止，甲醇的流量为2.5L/h；在保温期间，碳势设定值为1.0％，碳势低于设定值，通入天然气，天然气的流量为0.5m3/h，碳势高于设定值，停止通入天然气；
其余均与实施例3相同。
实施例5
与实施例3的区别在于，细化处理步骤：将渗碳淬火步骤完成后的产品置于840℃的温度中保温1h，随后迅速淬入油温为60℃的油中冷却；全程通入氮气保护，流量为3.0m3/h，甲醇从开始保温时通入至保温结束后停止，甲醇的流量为3L/h；在保温期间，碳势设定值为0.8％，碳势低于设定值，通入丙烷；碳势高于设定值，停止通入丙烷；丙烷的流量为0.8m3/h；
其余均与实施例3相同。
实施例6
与实施例3的区别在于，细化处理步骤：将渗碳淬火步骤完成后的产品置于800℃的温度中保温1.8h，随后迅速淬入油温为60℃的油中冷却；全程通入氮气保护，流量为2.5m3/h，甲醇从开始保温时通入至保温结束后停止，甲醇的流量为3L/h；在保温期间，碳势设定值为1.0％，通入天然气；碳势高于设定值，停止通入天然气；天然气的流量为0.5m3/h；
其余均与实施例3相同。
实施例7
与实施例6的区别在于，细化处理步骤：将渗碳淬火步骤完成后的产品置于800℃的温度中保温1.8h，随后迅速淬入油温为60℃的油中冷却；全程通入氮气保护，流量为3.0m3/h；甲醇从开始保温时通入至保温结束后停止，甲醇的流量为3L/h；其余均与实施例6相同。
对比例
对比例1
渗碳轴承钢热处理工艺，包括以下步骤：
渗碳淬火步骤：
强渗阶段：将炉内温度升至930℃，并保温63h；保温期间碳势设定值为1.3％，碳势低于设定值，通入天然气，天然气的流量为0.5m3/h，碳势高于设定值，停止通入天然气；
扩散阶段：在920℃的温度条件下保温15h；保温期间碳势设定值为1.0％，碳势低于设定值，通入天然气，天然气的流量为0.5m3/h，碳势高于设定值，停止通入天然气；
保温阶段：将温度降至880℃，保温10h；保温期间碳势设定值为1.0％，碳势低于设定值，通入天然气，天然气的流量为0.5m3/h，碳势高于设定值，停止通入天然气；
冷却阶段：将保温阶段完成后的产品迅速淬入油温为60℃的油中冷却；
在强渗阶段升温前先通入RX气体进行排气，排气时间为1h，RX气体在渗碳淬火步骤中全程通入，通入的RX气体流量为7m3/h；
一次高温回火步骤：将渗碳淬火步骤完成后的产品置于680℃的温度中保温6h，然后出炉空冷，全程氮气保护，氮气流量为3.0m3/h；
二次高温回火步骤：回火温度为680℃，保温5h，然后出炉空冷，全程氮气保护，氮气流量为3.0m3/h；
二次淬火步骤：将二次高温回火步骤完成后的产品置于800℃的温度中保温2h，随后迅速淬入油温为60℃的油中冷却；全程通入氮气保护，流量为2.5m3/h；在保温期间，碳势设定值为0.9％，碳势低于设定值，通入天然气，天然气的流量为0.5m3/h，碳势高于设定值，停止通入天然气；
低温回火步骤：将二次淬火步骤完成后的产品置于180℃的温度中保温7h，随后冷却至常温。
对比例2
与实施例6的区别在于，细化处理步骤：将渗碳淬火步骤完成后的产品置于730℃的温度中保温3.5h，随后迅速淬入油温为60℃的油中冷却；全程通入氮气保护，流量为2.5m3/h；其余均与实施例6相同。
对比例3
与实施例6的区别在于，细化处理步骤：将渗碳淬火步骤完成后的产品置于880℃的温度中保温1.8h，随后迅速淬入油温为60℃的油中冷却；全程通入氮气保护，流量为2.5m3/h；其余均与实施例6相同。
对比例4
与实施例6的区别在于，细化处理步骤：将渗碳淬火步骤完成后的产品置于800℃的温度中保温1.8h，随后出炉空冷；全程通入氮气保护，流量为2.5m3/h，甲醇从开始保温时通入至保温结束后停止，甲醇的流量为3.0L/h；在保温期间，碳势设定值为1.0％，碳势低于设定值，通入天然气；碳势高于设定值，停止通入天然气；天然气的流量为0.5m3/h；其余均与实施例6相同。
性能检测试验
将实施例1-7和对比例1-4制得的产品进按照JB/T 8881-2020《滚动轴承渗碳轴承钢零件热处理技术条件》进行硬化层深度、表层组织、心部组织、表面硬度和心部硬度性能检测，结果如表1所示。
记录实施例6和对比例1制得1炉样品(1炉150件)在完成渗碳淬火步骤后，进行二次淬火步骤前所耗费的时间，并计算一天24h能完成的工件数，结果记录在表2。
表1
表2
| 实施例6 | 对比例1 | |
| 工艺效率 | 750件/天 | 150件/天 |
结合实施例1-7和对比例1和表1可以看到，采用本申请的热处理工艺，实施例1-7制得的产品的性能在一定程度上优于对比例1采用传统工艺制得的产品。
通过实施例6和对比例1并结合表1和表2可以看到，采用本申请实施例6的热处理工艺，将两次高温回火步骤优化为细化处理步骤，本申请的生产效率显著提高，从150件/天提升至750件/天，且实施例6制得的产品性能更佳，质量更好。
通过实施例6与对比例2并结合表1可以看到，在细化处理步骤中，保温时间过长，且细化温度低于750℃，保证安全生产的条件下，无法通入有机气体，在制备过程中产品表面被氧化，且产品存在部分脱碳情况，产品不仅外观质量差，其他性能也欠佳。
结合实施例6和实施例7和对比例3并结合表1可以看到，实施例7在细化处理步骤中，保温阶段未通入天然气控制碳势，碳势无法达到设定值，存在部分脱碳的情况，导致最终产品的表面硬度相对低一些。对比例3在细化处理步骤中，细化温度过高，无法达到细化处理的目的，也未在保温期间通入有机气体，导致对比例3制得的产品的表层组织和表面硬度均不合格。
结合实施例6和对比例4并结合表1可以看到，对比例4在保温阶段结束后，采用空冷的方式进行冷却，冷却过程中存在产品表面被氧化的情况，导致最终产品的性能均有所下降。
由此可见，细化处理步骤的处理温度、保温时间、保护气氛以及冷却方式的协同配合下，可以在显著改善产品的生产效率的同时，提高产品的质量。
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 (9)
1.一种渗碳轴承钢热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：渗碳淬火步骤，细化处理步骤，二次淬火步骤和低温回火步骤；
细化处理步骤：将温度升至750-840℃，并保温1-2h，随后迅速淬入油中冷却，气氛为无机气体与有机气体的混合气体，无机气体从升温时通入，有机气体在保温期间通入至保温结束后停止。
2.根据权利要求1所述的渗碳轴承钢热处理工艺，其特征在于：细化处理步骤中，有机气体选自甲醇、天然气或丙烷中的任意两种。
3.根据权利要求2所述的渗碳轴承钢热处理工艺，其特征在于：细化处理步骤中，有机气体为甲醇和天然气。
4.根据权利要求3所述的渗碳轴承钢热处理工艺，其特征在于：细化处理步骤中，甲醇从开始保温时通入至保温结束后停止；保温期间，通入天然气控制碳势，碳势0.8%-1%；甲醇的流量为2.5-3.5L/h，天然气的流量为0.2-0.8m³/h。
5.根据权利要求1-4任一项所述的渗碳轴承钢热处理工艺，其特征在于：细化处理步骤中，无机气体为氮气，氮气的流量为：2.0-3.0m³/h。
6.根据权利要求1所述的渗碳轴承钢热处理工艺，其特征在于：渗碳淬火步骤包括强渗阶段、扩散阶段、保温阶段和冷却阶段；
强渗阶段：将温度升至920-940℃，并保温60-70h；
扩散阶段：温度为920-940℃，保温14-18h；
保温阶段：温度降至860-880℃，保温8-12h；
全程通入RX气体。
7.根据权利要求6所述的渗碳轴承钢热处理工艺，其特征在于：渗碳淬火步骤中，通入天然气控制碳势；
强渗阶段，碳势1.2%-1.35%；
扩散阶段，碳势1.0%-1.2%；
保温阶段，碳势0.85%-1.0%。
8.根据权利要求1或7所述的渗碳轴承钢热处理工艺，其特征在于：二次淬火步骤：将温度升至780-820℃，并保温1.5-2.5h，随后迅速淬入油中冷却；保温期间，通入天然气控制碳势，碳势0.8%-1%。
9.根据权利要求1或7所述的渗碳轴承钢热处理工艺，其特征在于：低温回火步骤：将温度升至150-220℃，并保温5-10h，随后冷却至常温。
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| CN202210076722.XA CN114481007B (zh) | 2022-01-22 | 一种渗碳轴承钢热处理工艺 |
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