CN115287584B - 一种中合金渗碳钢的渗碳淬火方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种中合金渗碳钢的渗碳淬火方法，包括：将钢材进行渗碳、高温回火后不进行冷却直接升温至淬火温度进行淬火、低温回火。本发明提供的方法能够保证淬火阶段炉内碳势的迅速建立，确保零件淬火质量，降低升温速度，进而减小零件的变形，加快流程速度，缩短生产周期，降低生产成本，简化操作，降低劳动强度延长渗碳炉的使用寿命。

Description

一种中合金渗碳钢的渗碳淬火方法
技术领域
本发明属于中合金渗碳钢技术领域，尤其涉及一种中合金渗碳钢的渗碳淬火方法。
背景技术
中合金渗碳钢中含有多种合金元素，如Cr、Ni、Mn等，且合金元素含量较高，渗碳后直接淬火时渗层中会含有大量残余奥氏体，残余奥氏体偏多会导致淬火后表面硬度偏低，在磨削过程中容易出现烧伤和裂纹，并且尺寸精度和稳定性差。因此必须在渗碳空冷后增加高温回火，高温回火保温一定时间后空冷，让残余奥氏体充分进行转变并且析出碳化物；随后，再将零件加热至淬火温度，保温一定时间后进行淬火，最后低温回火；高温回火使马氏体和残余奥氏体分解，同时渗层中碳和合金元素以碳化物的形式析出，达到减少渗层中残余奥氏体的目的。现有技术工艺过程复杂、加工周期长，造成大量的能源的浪费。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种中合金渗碳钢的渗碳淬火方法，本发明提供的方法获得的产品性能较好，而且能耗较低。
本发明提供了一种中合金渗碳钢的渗碳淬火方法，包括：
将钢材进行渗碳、高温回火后不进行冷却直接升温至淬火温度进行淬火、低温回火；
所述高温回火后至升温至淬火温度过程中通入碳源建立碳势；
所述碳源选自甲醇、裂解气、异丙醇和丙烷中的一种或几种。
优选的，所述中合金渗碳钢中含有C、Si、W、Cr、Mn、Ni、Mo合金元素，所述C的质量含量为0.1～0.3％，Si的质量含量≤0.4％，Cr的质量含量为0.4～2.5％，Ni的质量含量为0.3～5.0％，Mn的质量含量为0.3～2.0％，Mo的质量含量为0～0.4％，W的质量含量为0～1.5％。
优选的，所述中合金渗碳钢选自20CrMnMo、17Cr2Ni2Mo、17CrNiMo6、18CrNiMo7-6、20CrNi2Mo、12CrNi3、12Cr2Ni4、20Cr2Ni4、18Cr2Ni4W。
优选的，所述渗碳的温度为880～1050℃。
优选的，所述渗碳完成后还包括：
进行均温；
所述均温的温度为800～860℃。
优选的，所述均温完成后还包括：
进行空冷后再进行高温回火。
优选的，所述高温回火的温度为600～680℃。
优选的，所述淬火的温度为800～860℃。
优选的，所述淬火的介质选自油、硝盐浴。
优选的，所述低温回火的温度为150～250℃。
本发明通过提前建立碳势，避免大块状、网状碳化物和晶粒粗大，不易氧化脱碳；在550～600℃左右通甲醇保护，700～760℃左右通异丙醇保护，本发明在高温回火后直接升温淬火，直接升温更有利于碳势的建立，逐步通入一些甲醇、异丙醇，升温较慢，升温至淬火温度的时候会分解的比较充分，能够及时提前建立碳势，确保淬火均温时，碳势、温度控制较好。
本发明提供的方法保证了淬火阶段炉内碳势的迅速建立，确保了零件的淬火质量，可以减少一次零件的出炉，进炉，减少因为进出炉过程产生的变形和生产作业时间。本发明降低升温速度，进而减小了零件的变形，加快流程速度，缩短生产周期，降低生产成本，简化操作，降低劳动强度，延长渗碳炉的使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例中渗碳淬火方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面将对本发明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。
本发明提供了一种中合金渗碳钢的渗碳淬火方法，包括：
将钢材进行渗碳、高温回火后不进行冷却直接升温至淬火温度进行淬火、低温回火；
所述高温回火后至升温至淬火温度过程中通入碳源建立碳势；
所述碳源选自甲醇、裂解气、异丙醇和丙烷中的一种或几种。
在本发明中，所述钢材优选为低碳中合金钢(低碳，中等合金含量)，所述钢材中优选含有C、Si、Cr、Mn、Ni、Mo、W；所述钢材料中C的质量含量优选为0.1～0.3％，更优选为0.15～0.25％，最优选为0.2％；Ni的质量含量优选为0.3～5.0％，更优选为1.4～4.0％，最优选为2.0％；Mn的质量含量优选为0.3～2.0％，更优选为1.0～1.5％，最优选为1.2～1.3％；Si的质量含量优选≤0.4％，更优选为0.1～0.3％，最优选为0.2％；Cr的质量含量优选为0.4～2.5％，更优选为0.5～2.0％，最优选为1～1.5％；Mo的质量含量优选为0～0.4％，更优选为0.1～0.3％，最优选为0.2％；W的质量含量优选为0～1.5％，更优选为0.5～1.0％，最优选为0.6～0.8％。
在本发明中，所述钢材的成分优选为20CrMnMo、17Cr2Ni2Mo、17CrNiMo6、18CrNiMo7-6、20CrNi2Mo、12CrNi3、12Cr2Ni4、20Cr2Ni4、18Cr2Ni4W等牌号的国内外低碳中合金渗碳钢材。
在本发明中，所述渗碳的温度优选为880～1050℃，更优选为900～920℃，最优选为910℃；所述渗碳的时间根据零部件需要的层深进行控制，优选为5～150h，更优选为10～50h，更优选为20～40h，最优选为30h；所述渗碳的碳势根据零部件材料和需要的层深进行控制，优选为0.7～1.3％C，更优选为0.8～1.2％C，最优选为0.9～1.1％C。
在本发明中，所述渗碳过程中的升温速度优选为50～120℃/h，更优选为80～100℃/h，最优选为90℃/h。在本发明中，所述渗碳过程中优选根据零件壁厚和复杂情况在600～650℃和800～850℃均温2～4h。
在本发明中，所述渗碳完成后优选还包括：
进行均温。
在本发明中，所述均温的温度优选为800～860℃，更优选为810～850℃，更优选为820～840℃，最优选为830℃；所述均温的时间优选为1～5h，更优选为2～3h，可根据零件的截面情况和结构复杂程度可以适当调整。在本发明中，所述均温的碳势优选为0.5～0.9％C，更优选为0.6～0.8％C，最优选为0.7％C。
在本发明中，所述均温完成后优选还包括：
进行空冷再进行高温回火。
在本发明中，所述空冷后的温度优选为室温，更优选为20～30℃。
在本发明中，所述空冷后高温回火之前在升温至高温回火过程中优选提前加入甲醇或裂解气在高温回火过程中进行气氛保护。在本发明中，所述甲醇或裂解气的通入温度优选为600～640℃，更优选为610～630℃，最优选为620℃；所述甲醇或裂解气的通入温度低于高温回火温度。
在本发明中，所述高温回火的温度优选为600～680℃，更优选为610～670℃，更优选为620～660℃，更优选为630～650℃，最优选为640℃；所述高温回火的保温时间优选为3～8h，更优选为3～5h；所述高温回火过程中的升温速度优选为50～120℃/h，更优选为80～100℃/h，最优选为90℃/h。
在本发明中，所述高温回火后不进行冷却直接升温至淬火温度；所述高温回火后升温至淬火温度过程中通入甲醇、裂解气和异丙醇、丙烷等碳源提前建立碳势；所述碳源的通入温度优选为760～800℃，更优选为770～790℃，最优选为780℃；所述碳源的通入温度低于淬火温度。
在本发明中，所述淬火温度优选为800～860℃，更优选为810～850℃，更优选为820～840℃，最优选为830℃，淬火温度可根据各种材料的AC3温度点适当调整；所述淬火过程中的保温时间优选为1～12h，更优选为2～10h，更优选为2～8h，最优选为2～5h；所述淬火的碳势优选0.6～1.0％C，更优选为0.7～0.8％C；所述淬火过程中的升温速度优选为50～120℃/h，更优选为80～100℃/h，最优选为90℃/h。
在本发明中，所述淬火过程中采用的淬火介质优选为淬火油或硝盐浴，所述淬火油可以为矿物油(不为机械油)，所述硝盐浴可以包括硝酸钠和亚硝酸钠。
在本发明中，所述低温回火的温度优选为150～250℃，更优选为180～220℃，最优选为200℃；所述低温回火的时间优选为4～20h，更优选为5～15h，最优选为5～10h，可根据装炉量、零件截面尺寸和结构复杂程度可以适当调整；所述低温回火过程中的升温速度优选为50～120℃/h，更优选为80～100℃/h，最优选为90℃/h。
在本发明中，所述低温回火过程中优选进行空冷；所述空冷优选空冷至室温。
现有技术高温回火后空冷的时间在5～10h，同时，零件重新加热至淬火温度需要耗费2～5h的时间，本发明在高温回火后不空冷，直接升至淬火温度进行淬火，大大缩短了整个渗碳淬火工艺的周期(节省约10～15h)，降低了零件的变形率，提高了生产效率，保证了炉次生产的连续性。本发明在高温回火后不空冷，直接升至淬火温度进行淬火，使得能耗大大降低，同时使得操作变得更加简单，降低工人劳动强度，延长渗碳炉的使用寿命。本发明提供的方法获得的产品无论是表面硬度、心部硬度、残余奥氏体都能达到标准要求，取得了满意的效果。
实施例1
风电齿轮箱齿轮零件，成分为18CrNiMo7-6，是一种常用的中合金渗碳钢，主要化学成分为：碳含量0.15～0.21wt％，锰含量0.50～0.90wt％，铬含量1.50～1.80wt％，镍含量1.40～1.70wt％，钼含量0.25～0.35wt％，硅含量小于等于0.40wt％。
对齿轮零件进行渗碳淬火，具体方法为：
清洗刷涂：清洗中间齿轮轴，齿部渗碳淬火，其他非渗碳部位涂料保护。
渗碳空冷：渗碳温度920℃左右，升温速度为50～90℃/h，碳势为1.2～0.9％C；渗碳完成后零件温度降至840℃保温2h(碳势为0.6～0.8％C)后将零件吊出炉外空冷。
高温回火后直接升至淬火温度：将中间齿轮轴吊入炉内，升温至630℃时通入甲醇，升温速度为50～90℃/min，炉温至高回温度650℃，保温3～5h后，升温至780℃时通入异丙醇，升温速度为50～90℃/h，直接升至淬火温度820℃左右，保温3～5h后淬硝盐，硝盐温度为170±10℃，碳势为0.6～0.8％C。
低温回火：低温回火温度为210℃，升温温度为50～90℃/h，回火时间为10h，随后出炉空冷。
齿轮轴模数m＝9，齿数Z＝28，齿面渗碳淬火，要求工艺层深CHD≥1.90mm，齿面硬度58～62HRC，心部硬度30～42HRC，金相组织按照企业标准验收，碳化物为≤3级，残余奥氏体≤3级，铁素体≤4级，晶粒度不粗于5级。
对实施例1渗碳淬火后的齿轮进行检测，检测结果为，零件齿面硬度为60HRC(检测方法为GB/T 17394、GB/T 230.1，检测标准GB/T 3480.5)，心部硬度38HRC(GB/T 230.1)；金相试样检测(GB/T 25744)CHD＝2.05mm(GB/T 9450)，碳化物为2级，残余奥氏体2级，铁素体为1级，晶粒度为5级(检测标准为GB/T 6394)，零件合格。
比较例1
对实施例1中的齿轮零件齿面进行渗碳淬火，具体方法为：
清洗刷涂，清洗中间齿轮轴，齿部渗碳淬火，其他非渗碳部位涂料保护。
渗碳空冷，渗碳温度920℃，渗碳完成后零件温度降至840℃保温2h后将零件吊出炉外空冷。
高回空冷，将中间齿轮轴吊入炉内，升温至高回温度650℃，保温3～5h后对零件进行空冷，空冷6～8个小时后重新进炉。
重新加热升至淬火温度，中间齿轮轴空冷进炉后直接升温，升温3～4h后至淬火温度820℃，保温3～5h后淬硝盐，硝盐温度为170±10℃。
低温回火，低温回火温度为210℃，回火时间为10h，随后出炉空冷。
按照实施例1的方法对比较例1渗碳淬火后的齿轮零件进行检测，检测结果为，零件齿面硬度为60HRC，心部硬度37HRC；金相试样检测CHD＝2.10mm，碳化物为2级，残余奥氏体2级，铁素体为2级，晶粒度为5级，零件合格。
实施例2
船用齿轮箱输出大齿轮，成分为20CrMnMo，是一种常用的中合金渗碳钢，其主要化学成分为：碳含量0.17～0.23wt％，锰含量0.9～1.2wt％，铬含量1.1～1.4wt％，钼含量0.2～0.3wt％，硅含量0.17～0.37wt％。
对上述输出大齿轮齿面进行渗碳淬火，具体方法为：
清洗刷涂：清洗输出大齿轮，齿部渗碳淬火，其他非渗碳部位涂料保护。
渗碳空冷：渗碳温度910℃，升温速度为50～90℃/h，碳势为0.9～1.3％C；渗碳完成后零件温度降至840℃保温2h(0.6～0.8％C)后零件吊出炉外空冷。
高温回火后直接升至淬火温度；将输出大齿轮吊入炉内，升温至630℃时通入甲醇，升温速度为50～90℃/min，炉温升温至高回温度650℃，保温3～5h后，升温至780℃时通入异丙醇，升温速度为50～90℃/h，直接升至淬火温度840℃，保温3～5h后淬油，碳势为0.6～0.9％C。
低温回火：低温回火温度为200℃，升温温度为50～90℃/h，回火时间为8h，随后出炉空冷。
输出大齿轮模数m＝6，齿数Z＝101，齿面渗碳淬火，要求工艺层深CHD＝1.35～1.75mm，齿面硬度58～62HRC，心部硬度30～42HRC，金相组织按照企业标准验收，碳化物为≤3级，残余奥氏体≤3级，铁素体≤4级，晶粒度不粗于5级。
按照实施例1的方法对实施例2渗碳淬火后的齿轮零件进行检测，检测结果为，零件齿面硬度为60HRC，心部硬度37HRC；金相试样检测CHD＝1.55mm，碳化物为2级，残余奥氏体1级，铁素体为1级，晶粒度不粗于5级。
比较例2
对实施例2中的输出大齿轮进行齿面渗碳淬火，具体方法为：
清洗刷涂：清洗输出大齿轮，齿部渗碳淬火，其他非渗碳部位涂料保护。
渗碳空冷：渗碳温度910℃，渗碳完成后零件温度降至840℃保温2h后零件吊出炉外空冷。
高回空冷：将输出大齿轮吊入炉内，炉温升温至高回温度600℃，保温3～5h后对零件进行空冷，空冷6～8个小时后重新进炉。
重新加热升至淬火温度：输出大齿轮空冷进炉后直接升温，升温3～4h升至淬火温度840℃，保温3～5h后淬油。
低温回火：低温回火温度为200℃，回火时间为8h，随后出炉空冷。
按照实施例1的方法对比较例2渗碳淬火后的齿轮零件进行检测，检测结果为，零件齿面硬度为59HRC，心部硬度36HRC；金相试样检测CHD＝1.60mm，碳化物为2级，残余奥氏体2级，铁素体为1级，晶粒度为5级，零件合格。
实施例3
冶金重载齿轮箱一级行星轮，成分为20Cr2Ni4，是一种常用的中合金渗碳钢，其主要化学成分为：碳含量0.17～0.23wt％，锰含量0.30～0.60wt％，铬含量1.25～1.65wt％，镍含量3.25～3.65wt％，，硅含量0.17～0.37wt％。
对上述一级行星轮进行齿部渗碳淬火，具体方法为：
清洗刷涂：清洗一级行星轮，齿部渗碳淬火，其他非渗碳部位涂料保护。
渗碳空冷：渗碳温度920℃，升温速度为50～90℃/h，1.3～1.0％C；渗碳完成后零件温度降至840℃保温2h(碳势为0.6～0.8％C)后零件吊出炉外空冷。
高温回火两次，最后一次高温回火后直接升至淬火温度：将一级行星轮吊入炉内，炉温升温至高回温度680℃，升温速度为50～90℃/min，保温3～4h进行第一次高温回火，第一次高温回火后空冷，然后升温至630℃时通入甲醇，升温速度为50～90℃/min，升温至高回温度680℃，保温3～4h进行第二次高温回火，升温至780℃时通入异丙醇，升温速度为50～90℃/h，直接升至淬火温度810℃，保温3～5h后淬硝盐，硝盐温度为170±10℃，碳势为0.8～1.0％C。
低温回火：低温回火温度为210℃，升温速度为50～90℃/h，回火时间为10h，随后出炉空冷。
一级行星轮模数m＝14，齿数Z＝34，齿面渗碳淬火，要求工艺层深CHD＝2.00～2.50mm，齿面硬度58～62HRC，心部硬度30～42HRC，金相组织按照企业标准验收，碳化物为≤3级，残余奥氏体≤3级，铁素体≤4级，晶粒度不粗于5级。
按照实施例1的方法对本发明实施例3渗碳淬火后的齿轮零件进行检测，检测结果为，零件齿面硬度为61HRC，心部硬度42HRC；金相试样检测CHD＝2.35mm，碳化物为2级，残余奥氏体1级，铁素体为1级，晶粒度为5级，零件合格。
比较例3
对实施例3中的一级行星轮齿面进行渗碳淬火，具体方法为：
清洗刷涂：清洗一级行星轮，齿部渗碳淬火，其他非渗碳部位涂料保护。
渗碳空冷：渗碳温度920℃，渗碳完成后零件温度降至840℃保温2h后吊出炉外空冷。
高回空冷：将一级行星轮吊入炉内，炉温升温至高回温度680℃，保温3～4h后对零件进行空冷，空冷6～8个小时后重新进炉，进行第2次高温回火，回火工艺同前，回火完后空冷至室温。
重新加热升至淬火温度：一级行星轮空冷进炉后直接升温，升温3～4h升至淬火温度810℃，保温3～5h后淬硝盐，硝盐温度为170±10℃。
低温回火：低温回火温度为210℃，回火时间为10h，随后出炉空冷。
按照实施例1的方法对本发明比较例3渗碳淬火后的齿轮零件进行检测，检测结果为，零件齿面硬度为61HRC，心部硬度37HRC，金相试样检测CHD＝2.30mm，碳化物为2级，残余奥氏体1级，铁素体为1级，晶粒度为5级，零件合格。
本发明通过采用高温回火阶段和淬火阶段合并工艺，保证了淬火阶段炉内碳势的迅速建立，确保了零件淬火质量，降低了升温速度，进而降低了零件的变形，加快了流程速度，缩短了生产周期，降低了生产成本，操作得以简化，工人劳动强度得到降低，延长渗碳炉的使用寿命。本发明的关键在于高温回火后不空冷，直接升至淬火温度进行淬火；淬火的温度为800～860℃；低温回火的温度为150～250℃。
虽然已参考本发明的特定实施例描述并说明本发明，但是这些描述和说明并不限制本发明。所属领域的技术人员可清晰地理解，在不脱离如由所附权利要求书定义的本发明的真实精神和范围的情况下，可进行各种改变，以使特定情形、材料、物质组成、物质、方法或过程适宜于本申请的目标、精神和范围。所有此类修改都意图在此所附权利要求书的范围内。虽然已参考按特定次序执行的特定操作描述本文中所公开的方法，但应理解，可在不脱离本发明的教示的情况下组合、细分或重新排序这些操作以形成等效方法。因此，除非本文中特别指示，否则操作的次序和分组并非本申请的限制。

Claims (7)

1.一种中合金渗碳钢的渗碳淬火方法，包括：
将钢材进行渗碳、均温、空冷、高温回火后不进行冷却直接升温至淬火温度进行淬火、低温回火；所述渗碳的碳势为0.7～1.3％C；
所述空冷后高温回火之前在升温至高温回火过程中提前加入甲醇在高温回火过程中进行气氛保护；所述甲醇的通入温度为600～640℃；所述高温回火后不进行冷却直接升温至淬火温度；所述高温回火后升温至淬火温度过程中通入异丙醇提前建立碳势；所述异丙醇的通入温度为760～780℃；
所述高温回火的温度为600～680℃，所述淬火的温度为800～860℃，所述淬火的碳势为0.6～1.0％C。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中合金渗碳钢中含有C、Si、W、Cr、Mn、Ni、Mo合金元素，所述C的质量含量为0.1～0.3％，Si的质量含量≤0.4％，Cr的质量含量为0.4～2.5％，Ni的质量含量为0.3～5.0％，Mn的质量含量为0.3～2.0％，Mo的质量含量为0～0.4％，W的质量含量为0～1.5％。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述中合金渗碳钢选自20CrMnMo、17Cr2Ni2Mo、17CrNiMo6、18CrNiMo7-6、20CrNi2Mo、12CrNi3、12Cr2Ni4、20Cr2Ni4、18Cr2Ni4W。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述渗碳的温度为880～1050℃。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述均温的温度为800～860℃。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述淬火的介质选自油、硝盐浴。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低温回火的温度为150～250℃。
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