CN115109899A - 低碳合金钢材料的热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低碳合金钢材料的热处理工艺，涉及金属表面热处理的技术领域。本发明的热处理工艺先采用真空渗碳处理工艺进行渗碳，之后采用珠光体转变和部分奥氏体化处理进行组织细化，同时利用高压气淬工艺实现低碳合金钢材料的表面热处理。该工艺可以提高渗碳效率，材料性能好，同时工序简单成本低。

Description

低碳合金钢材料的热处理工艺
技术领域
本发明涉及金属表面热处理技术领域，尤其是涉及一种低碳合金钢材料的热处理工艺。
背景技术
齿轮常用的材料是低碳合金钢材料，随着对性能和工作环境的要求进一步提升，提高齿轮耐磨性、接触疲劳强度以及使用精度具有重要意义。为此，齿面硬度高，齿心韧性强，齿轮表面组织晶粒细小，且残余奥氏体含量低，碳化物尺寸细小且弥散分布是改进的目标。
渗碳是指碳原子渗入金属材料表面层的过程，是实现低碳合金钢材料表面高强度和耐磨性，内部维持韧性和塑性的常见热处理工艺。目前渗碳工艺主要分为气氛渗碳和真空渗碳，工业生产中常用的渗碳工艺是可控气氛渗碳。
气氛渗碳的缺点在于内氧化严重，容易形成晶间氧化或者非马氏体组织，且渗碳过程中往往由于表面C势过高，导致样件表面积聚炭黑并形成块状或网状碳化物。传统气氛渗碳之后进行油淬，由于冷速较大且不容易控制，工件油淬后不同部位容易出现不同程度的变形，严重者可能导致开裂问题，降低齿轮热处理后的精度以及使用性能。此外，传统的气氛渗碳温度一般为880-930℃，由于温度较低，渗碳效率低，渗碳周期一般较长，既增加了生产成本也造成了能源浪费。
真空渗碳原理包括渗碳气的分解、吸收、扩散，其工艺流程一般包括：零件清洗-零件装料、进炉-炉内抽真空-炉内加热、均温-渗碳与扩散-淬火。真空低压渗碳可以实现高温渗碳，同时避免氧化问题，而且高温下C原子的扩散速度更快，渗碳效率更高。但是随之而来的问题是奥氏体晶粒的粗化，奥氏体晶粒的粗化往往会导致淬火后马氏体尺寸粗大，淬火开裂等问题，降低材料的疲劳强度，影响材料的使用性能。此外，对于表面碳含量较高尤其是成分中碳化物形成元素含量较高的低碳合金材料来说，碳化物形成元素会优先在晶界处与C形成尺寸较大的网状、棒状碳化物，这些碳化物对材料的机械性能有着不利的影响且较难消除。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种低碳合金钢材料的热处理工艺/方法。
本发明的目的之二在于提供上述热处理工艺得到的低碳合金钢材料。
本发明的目的之三在于提供上述低碳合金钢材料的应用。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种低碳合金钢材料的热处理工艺，包括：
将所述材料依次进行加热处理、真空渗碳处理、珠光体转变处理、部分奥氏体化处理和高压气淬处理；
其中，所述珠光体转变处理包括：真空渗碳处理后，采用压力为6～20bar的氮气冷却(优选冷速大于20℃/s)材料至珠光体转变区间并保温15～30min；
所述部分奥氏体化处理包括：珠光体转变处理后，将材料加热到AC3温度(优选为800～830℃)并保温15～30min进行部分奥氏体化。
进一步地，所述高压气淬处理包括：部分奥氏体化处理后，采用压力为6～20bar的氮气冷却(优选冷速大于20℃/s)材料至室温。
进一步地，所述加热处理是在真空渗碳炉中，对炉内抽真空后以9～11℃/min进行加热，加热至590～610℃时均温25～40min，继续加热至900～1000℃后均温25～40min，优选为930～960℃。
进一步地，所述真空渗碳处理为气体脉冲式真空渗碳处理，包括以下步骤：
步骤(a)强渗阶段，在加热处理后的温度下，以7～9L/min速度向炉内充入乙炔和氮气，以脉冲形式进行低压渗碳；或，以7～9L/min速度向炉内充入丙烷和氮气，以脉冲形式进行低压渗碳；
步骤(b)扩散阶段，完成步骤(a)后去除乙炔和氮气，或，丙烷和氮气，进行扩散；
其中，步骤(a)的渗碳时间和步骤(b)的扩散时间比为1:3。
进一步地，步骤(a)的每个脉冲时间为3～4min，渗碳时压力不大于3kPa；
优选地，步骤(a)的渗碳时间为40～60min。
进一步地，低碳合金钢材料的碳含量为0.18％～0.23％。
进一步地，所述材料加热处理前还包括预处理：放在超声波清洗器中，用乙醇或者丙酮对其进行清洗，保证表面光洁，无油污或其他杂质。
上述热处理工艺得到的低碳合金钢材料。
上述低碳合金钢材料在齿轮中的应用。
与现有技术相比，本发明的技术效果为：
本发明采用真空低压渗碳，实现了对低碳合金钢材料的精密热处理，满足了齿轮组织、性能以及形状的精密要求。本发明的工艺方法可以解决目前齿轮渗碳热处理中存在的氧化严重、表面质量差、形成网状碳化物以及样件变形严重等问题，也可以提高渗碳的适用温度，缩短渗碳周期，提升渗碳效率。
本发明采用真空高压气淬，代替传统的淬火油对样件进行淬火硬化。通过改变气体压力可以控制气淬的冷却速度，进而减小淬火变形，避免由于油淬时冷速过大而导致的变形开裂或者显微裂纹等问题；采用高压气淬后样件表面良好，无多于残留或其他杂质，省去了后面的表面清洗工序，节省了时间和经济成本。
本发明中真空渗碳后采用了组织细化工艺(即本发明热处理工艺中的珠光体转变处理和部分奥氏体化处理)，进一步细化了渗层组织，提高了材料性能。高温渗碳可以显著缩短渗碳时间，但是高温条件下奥氏体晶粒发生粗化这一问题是无可避免的。奥氏体晶粒的粗化会引起渗碳淬火后马氏体组织尺寸粗大，严重的还有可能导致淬火裂纹，降低材料的机械性能。相应的，奥氏体晶粒尺寸越小，淬火后得到的马氏体尺寸越小，硬度越高。因此，本发明为真空渗碳提供了一种将渗碳热处理强化与组织细化强化相结合的可行方法，也为高温渗碳时晶粒粗化问题提供了解决办法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明提供的热处理工艺路线图；
图2为本发明实施例1提供的组织细化前显微组织图(2000X)；
图3为本发明实施例1提供的组织细化前(步骤5前)显微组织图(5000X)；
图4为本发明实施例1提供的组织细化后(步骤4后)显微组织图(2000X)；
图5为本发明实施例1提供的组织细化后(步骤4后)显微组织图(5000X)；
图6为本发明实施例2提供的组织细化前(步骤5前)金相显微镜图；
图7为本发明实施例2提供的组织细化前(步骤5前)扫描电子显微镜图；
图8为本发明实施例2提供的组织细化后(步骤4后)金相显微镜图；
图9为本发明实施例2提供的组织细化后(步骤4后)扫描电子显微镜图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的低碳合金钢材料的热处理工艺，包括：将材料依次进行加热处理、真空渗碳处理、珠光体转变处理、部分奥氏体化处理和高压气淬处理。
该工艺可以避免产生网状碳化物，提升渗碳效率的同时通过渗后组织细化解决了奥氏体晶粒粗化的问题，使得材料表面组织晶粒变细并且降低了残余奥氏体含量，提高了材料的表面硬度等机械性能。此外，工序简单，用时较短，降低了生产成本。
在优选的实施方式中，本发明热处理工艺参照图1进行，具体为：
加热处理阶段
加热处理可以在真空渗碳炉中进行，炉内抽真空(例如100pa)后以9～11℃/min条件进行加热，加热至900～1000℃后均温25～40min。该阶段便于进一步对材料进行真空渗碳处理，用以提高材料表面硬度。其中，加热的速率优选为8℃/min；加热的目标温度可以但不限于为900℃、910℃、920℃、930℃、940℃、950℃、960℃、970℃、980℃、990℃或1000℃，优选为930～960℃，在此温度范围内渗碳效率较高且表面不易形成网状碳化物；均温的时间优选为30min。
在优选的实施方式中，加热处理可以分为两段式升温，对炉内抽真空后以9～11℃/min进行加热，加热至590-610℃时均温25～40min，继续加热至900～1000℃后均温25～40min。优选地，先升温至600℃左右时均温大约30min，再继续加热至930～960℃均温大约30min。
真空渗碳处理阶段
进一步对上述热处理后的材料进行真空渗碳处理，该阶段分为两个过程：强渗和扩散。
强渗方式优选为气体脉冲式真空渗碳，具体为在加热处理完成的基础上，以7～9L/min速度向炉内充入乙炔和氮气，以脉冲形式进行低压渗碳。该过程中，强渗总时间依据渗层深度和表面硬度要求等指标确定，优选渗碳时间为40～60min。
在优选的实施方式中，每个脉冲时间为3～4min，渗碳时压力不大于3kPa。
具体脉冲形式过程：向炉膛内充入乙炔和氮气，当渗碳气压升至3kPa后停止供气，保压15-30s，抽出炉内气体，炉内真空度逐渐恢复100pa，这称为一个脉冲过程。
扩散方式优选为在强渗完成后去除乙炔和氮气，进行扩散。
为了实现更好的渗碳效果，本发明中强渗的时间与扩散的时间比为1:3。
珠光体转变处理阶段
真空渗碳扩散结束后，向炉膛内通入高压氮气，快速冷却至珠光体。冷速越快，心部组织越不容易发生转变，显微组织中越不容易形成大尺寸碳化物。通过珠光体转变阶段形成片层间距较小的珠光体球团。形成的珠光体越细，后续进行部分奥氏体化后越容易在显微组织中形成大量弥散分布且尺寸细小的第二相。
在本发明的实施方式中，在真空渗碳处理后，采用压力为6～20bar的氮气冷却(优选冷速大于20℃/s)材料至珠光体转变区间并保温15～30min。其中，保温时间优选为20min。该过程属于渗碳后组织细化的过程，通过气淬降温进一步提高材料的表面硬度和耐磨性，同时可以通过改变气体压力和流速来控制冷却速度，方式更为灵活和可控。
部分奥氏体化处理阶段
在本发明的实施方式中，在珠光体转变处理后，将材料加热到AC3(奥氏体结束转变温度)并保温15～30min进行部分奥氏体化，奥氏体化温度不宜过高，优选为800～830℃。其中，保温时间优选为20min。该过程属于渗碳后进一步组织细化的过程，该过程可以防止网状碳化物的形成，解决高温条件下奥氏体晶粒粗化的问题，该部分进行部分奥氏体化后，由于部分奥氏体化温度较低且时间较短，因此可以使前面阶段所形成的细片层珠光体发生部分熔断，可以在显微组织中形成大量尺寸较小且弥散分布的第二相碳化物，得到的奥氏体晶粒尺寸变小，进一步提高材料的表面硬度和耐磨性。
高压气淬处理阶段
在本发明的实施方式中，部分奥氏体化处理后，采用压力为6～20bar的氮气快速冷却(优选冷速大于20℃/s)材料至室温。通过改变气体压力可以控制气淬的冷却速度，进而减小淬火变形；采用高压气淬后样件表面良好，无多于残留或其他杂质，省去了后面的表面清洗工序，节省了时间和经济成本。
本发明的热处理工艺适用的材料碳含量为0.18％～0.23％。
下面通过具体实施例对本发明作进一步说明。如无特别说明，实施例中的材料为根据现有方法制备而得，或直接从市场上购得。
实施例1
该实施例的材料为轴齿类零件材料18CrNiMo7-6，尺寸为φ15*100(mm)，在单室真空渗碳炉中进行真空低压渗碳高压气淬及渗后组织细化热处理。具体步骤如下：
步骤1：将18CrNiMo7-6材料放在超声波清洗器中，用乙醇或者丙酮对其进行清洗，保证表面光洁，无油污或其他杂质。
步骤2：将步骤1处理后试样装入真空渗碳炉中，对炉内抽真空后以10℃/min进行加热，加热至600℃时均温30min；继续10℃/min加热至960℃，加热至设定温度后均温30min。
步骤3：进入强渗阶段，在步骤2设定温度中，以8L/min速度向炉内充入乙炔和氮气，当渗碳压力达到3kPa后，停止气体供应，保压15-30s后抽出炉内气体恢复真空度至100Pa。然后重复该过程进行脉冲低压渗碳。
步骤4：进入扩散阶段，抽出炉膛内剩余乙炔和氮气，真空度为100Pa，在步骤2设定温度中恒温保持，使C原子进一步向试样心部扩散。
步骤5：进入气淬阶段，向炉膛内通入氮气，压力为6bar～20bar，快速冷却至600℃，在该温度保温20min。
步骤6：重新加热至830℃，保温20min进行部分奥氏体化。
步骤7：在步骤6温度下通入6～20bar的N2，快速冷却至室温。
采用发明中真空渗碳高压气淬工艺后，18CrNiMo7-6试样表面硬度达到798HV，渗层深度为1.25mm；加上组织细化处理后，表面硬度提升至840HV，渗层深度达到1.39mm。经过该发明中真空低压渗碳高压气淬以及渗后组织细化工艺，18CrNiMo7-6直接真空渗碳后显微组织中马氏体为3级，残奥3级；经过组织细化后马氏体1级，残奥2级。
按照图1的热处理工艺流程，参照上述步骤，处理后的材料显微组织图片如图2-图5所示。其中，图2为组织细化前(步骤5前)显微组织图(2000X)，图3为组织细化前(步骤5前)显微组织图(5000X)，图4为组织细化后(步骤4后)显微组织图(2000X)，图5为图4为组织细化后(步骤4后)显微组织图(5000X)。
实施例2
该实施例的材料为常见低碳合金钢材料20MnCrS5，尺寸为φ15*100(mm)，在单室真空渗碳炉中进行真空低压渗碳高压气淬及渗后组织细化热处理。具体步骤如下：
步骤1：将20MnCrS5材料放在超声波清洗器中，用乙醇或者丙酮对其进行清洗，保证表面光洁，无油污或其他杂质。
步骤2：将步骤1处理后试样装入真空渗碳炉中，对炉内抽真空后以10℃/min进行加热，加热至600℃时均温30min；继续10℃/min加热至960℃，加热至设定温度后均温30min。
步骤3：进入强渗阶段，在步骤2设定温度中，以8L/min速度向炉内充入乙炔和氮气，当渗碳压力达到3kPa后，停止气体供应，保压15-30s后抽出炉内气体恢复真空度至100Pa。然后重复该过程进行脉冲低压渗碳。
步骤4：进入扩散阶段，抽出炉膛内剩余乙炔和氮气，真空度为100Pa，在步骤2设定温度中恒温保持，使C原子进一步向试样心部扩散。
步骤5：进入气淬阶段，向炉膛内通入氮气，压力为6bar～12bar，快速冷却至600℃，在该温度保温20min。
步骤6：重新加热至830℃，保温20min进行部分奥氏体化。
步骤7：在步骤6温度下通入6～20bar的N2，快速冷却至室温。
采用发明中真空渗碳高压气淬工艺及组织细化工艺后，组织变化如图6-图9所示。其中，图6为组织细化前(步骤5前)金相显微镜图，图7为组织细化前(步骤5前)扫描电子显微镜图，图8为组织细化后(步骤4后)金相显微镜图，图9为组织细化后(步骤4后)扫描电子显微镜图。
从图6和图7可以看出，真空渗碳后显微组织中残余奥氏体数量较多，且多呈块状形式分布；碳化物尺寸较大，在晶界和晶内都有分布。其中晶内碳化物尺寸较小，但晶界处碳化物呈网状连续分布，这对材料的力学性能十分不利。
从图8和图9可以看出，通过后续组织细化工艺，显微组织中的碳化物由连续网状变为不连续点状，且晶内弥散分布着大量尺寸在10-200nm的碳化物；奥氏体数量减少，尺寸减小。
对真空渗碳和组织细化工艺后的显微组织进行评级，真空渗碳气淬后马氏体针长度约为6～8μm，评级为3级，残余奥氏体为2级；采取组织细化工艺后，马氏体针长度为3～5μm，评级为2级，残余奥氏体为1级。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种低碳合金钢材料的热处理工艺，其特征在于，包括：
将所述材料依次进行加热处理、真空渗碳处理、珠光体转变处理、部分奥氏体化处理和高压气淬处理；
其中，所述珠光体转变处理包括：真空渗碳处理后，采用压力为6～20bar的氮气冷却材料至珠光体转变区间并保温15～30min，冷却速率优选为大于20℃/s；
所述部分奥氏体化处理包括：珠光体转变处理后，将材料加热到AC3并保温15～30min进行部分奥氏体化，加热温度优选为800℃～830℃。
2.根据权利要求1所述的热处理工艺，其特征在于，所述高压气淬处理包括：部分奥氏体化处理后，采用压力为6～20bar的氮气冷却材料至室温，冷却速率优选为大于20℃/s。
3.根据权利要求1所述的热处理工艺，其特征在于，所述加热处理是在真空渗碳炉中，对炉内抽真空后以9～11℃/min进行加热，加热至900～1000℃后均温25～40min。
4.根据权利要求3所述的热处理工艺，其特征在于，所述加热处理是在真空渗碳炉中，对炉内抽真空后以9～11℃/min进行加热，加热至590-610℃时均温25～40min，继续加热至900～1000℃后均温25～40min，优选为930～960℃。
5.根据权利要求1所述的热处理工艺，其特征在于，所述真空渗碳处理为气体脉冲式真空渗碳处理，包括以下步骤：
步骤(a)强渗阶段，在加热处理后的温度下，以7～9L/min速度向炉内充入乙炔和氮气，以脉冲形式进行低压渗碳；或，以7～9L/min速度向炉内充入丙烷和氮气，以脉冲形式进行低压渗碳；
步骤(b)扩散阶段，完成步骤(a)后去除乙炔和氮气，或，丙烷和氮气，进行扩散；
其中，步骤(a)的渗碳时间和步骤(b)的扩散时间比为1:3。
6.根据权利要求5所述的热处理工艺，其特征在于，步骤(a)的每个脉冲时间为3～4min，渗碳时压力不大于3kPa；
优选地，步骤(a)的渗碳时间为40～60min。
7.根据权利要求1～6任一项所述的热处理工艺，其特征在于，低碳合金钢材料的碳含量为0.18％～0.23％。
8.根据权利要求7所述的热处理工艺，其特征在于，所述材料加热处理前还包括预处理：放在超声波清洗器中，用乙醇或者丙酮对其进行清洗，保证表面光洁，无油污或其他杂质。
9.权利要求1～8任一项所述的热处理工艺得到的低碳合金钢材料。
10.权利要求9所述的低碳合金钢材料在齿轮中的应用。
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