CN116083838A - 一种工件表层与基体同步强韧化的小变形真空渗碳方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工件表层与基体同步强韧化的小变形真空渗碳方法。本发明将真空渗碳与等温气淬复合，在不损害真空系统的前提下减小真空渗碳淬火过程中的变形，一次性快速获得硬度较高并兼有良好韧性的梯度组织，实现表层与基体同步强化，达到绿色环保的目标。该方法工艺流程短、渗碳效率高、清洁无污染、实用性强。

Description

一种工件表层与基体同步强韧化的小变形真空渗碳方法

技术领域

本发明涉及金属表面热处理领域，具体说是一种工件表层与基体同步强韧化的小变形真空渗碳方法。

背景技术

为了在更恶劣的使用环境中保持结构完整性，传动件轴承和齿轮需要出色的综合表面性能。研究表明，以渗碳为例的表面热处理技术可以有效的提高轴齿零件的表面硬度和耐磨性能，从而可以在大范围内提高工作时的寿命。由于气体渗碳周期长、污染严重，逐渐被清洁绿色的真空渗碳替代，以减轻国家能源、资源的消耗。传统的真空渗碳多采用渗碳+淬火+回火工艺，步骤多且渗碳变形大，无法满足大型、精密、复杂、长寿命的零部件的渗碳变形的控制要求。

一般的等温淬火技术多用于特定钢种的整体热处理从而得到贝氏体组织，例如中国发明专利CN 114717392 A提出了Dievar钢的等温淬火工艺。表面处理后渗层中的元素呈梯度分布，且要求工件表面高硬度心部高韧性，因此需要得到从表层马氏体到心部贝氏体组成的梯度结构而非单一的贝氏体组织，传统的等温淬火工艺对于渗碳试样将不再适用。

另外，传统的等温淬火多采用盐浴或者油淬进行，例如中国发明专利CN114369769 A采用盐浴进行等温淬火，盐浴或油淬容易损害真空系统，造成管路堵塞和泵油污染，无法直接与真空渗碳过程结合。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种工件表层与基体同步强韧化的小变形真空渗碳方法。本发明将真空渗碳与等温气淬复合，不仅可以在不损害真空系统的前提下一次性完成真空渗碳的整个过程，控制真空渗碳变形率≤0.1％，还可以快速获得硬度较高并兼有良好韧性的梯度组织，即一定深度范围内的表层主要为马氏体组织，渗层内部为马氏体和贝氏体的混合组织，基体为贝氏体组织。等温气淬相比于传统的盐浴等温淬火和等温油淬工艺，采用在一定温度范围内锯齿状快速上下波动的保温形式代替了恒温的过程。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种工件表层与基体同步强韧化的小变形真空渗碳方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将工件在渗碳室中进行加热保温处理；

步骤2，在750-980℃下，向渗碳室中通入渗碳气体后进行渗碳作业；

步骤3，渗碳结束后向渗碳室中通入冷却气体，使工件表面冷却至150-350℃，冷却速度≥10℃/s；

步骤4，工件表面冷却至等温气淬目标温度时，对工件进行等温气淬作业，等温气淬作业时间为30min以上。

步骤5，向渗碳室中通入冷却气体使工件冷却至室温。

在上述方案的基础上，

步骤1所述的加热保温处理过程为两个以上并且保温温度梯次上升的过程。

在上述方案的基础上，

步骤2所述的渗碳作业包括先后进行的渗碳周期和扩散周期。

在上述方案的基础上，

渗碳作业时渗碳室压力为200至2000Pa；渗碳周期总时间和扩散周期总时间的比率为1:2至1:7；渗碳作业的持续时间为30min以上

在上述方案的基础上，

步骤4所述的等温气淬作业为：保持工件表面温度在等温气淬目标温度附近波动，波动幅度≤±25℃；

在上述方案的基础上，

所述波动为等幅波动，

或者：

所述波动包括两个以上并且波动幅度互不相同的阶段，每个阶段的波动为等幅波动。

在上述方案的基础上，

保持工件表面温度在等温气淬目标温度附近波动的方法为

间隙式向渗碳室中充入冷却气体后再间隙式加热；

或者：

间隙式向渗碳室中充入冷却气体。

在上述方案的基础上，

所述向渗碳室充入冷却气体的压力≥2×10⁵Pa。

在上述方案的基础上，

所述渗碳气体为甲烷、乙炔或丙烷，所述冷却气体为氮气、氩气或氦气。

本发明所述的一种工件表层与基体同步强韧化的小变形真空渗碳方法，其有益效果为：

(1)本发明通过高压气淬技术，使真空渗碳工件在表面富碳区域的Ms点附近，采用锯齿状波动的形式保温。由于表面冷却速度较快，表层一定深度范围内主要为针状马氏体组织，随着渗层深度的增加冷速减慢贝氏体含量增加，在渗层内部快速获得马氏体和贝氏体的混合组织，基体冷速最慢为贝氏体组织，从而同时得到表面硬心部韧的梯度组织。另外，在Ms点附近快速变温有利于缩短贝氏体形成的孕育期。真空渗碳后工件的变形率≤0.1％以内，表面碳化物1级，表面硬度达到760HV，心部硬度在300HV以上。

(2)本专利提出渗碳与真空等温淬火复合的新型渗碳工艺，绿色环保无污染，不会损坏真空系统，设备要求低。并且可以一次性完成，不需要渗碳结束后再重新进行等温淬火或低温回火，操作简便，缩短了生产周期，应用范围广泛，因此具有重要的工程应用价值。

附图说明

本发明有如下附图：

图1为实施例一本发明中的真空低压渗碳等温淬火工艺曲线；

图2为实施例一本发明中的真空低压渗碳等温淬火工艺实际测温曲线；

图3为实施例一中WLY-20CrMnTi从动齿轮真空渗碳表层显微组织SEM图；

图4为实施例一中WLY-20CrMnTi从动齿轮真空渗碳层内部1/2处显微组织SEM图；

图5为实施例一中WLY-20CrMnTi从动齿轮真空渗碳基体显微组织SEM图；

图6为实施例一中真空渗碳后WLY-20CrMnTi从动齿轮硬度分布曲线；

图7为实施例一中真空渗碳前后WLY-20CrMnTi从动齿轮的径向变形率；

图8为实施例一中真空渗碳前后WLY-20CrMnTi从动齿轮的轴向变形率；

图9为实施例二中的真空低压渗碳等温气淬工艺曲线；

图10为实施例二中WLY-20CrMnTi主动齿轮真空渗碳表层显微组织金相图(a)及基体显微组织金相图(b)

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，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，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。

本发明所述的一种工件表层与基体同步强韧化的小变形真空渗碳方法，包括加热保温、渗碳作业、等温气淬作业。

在所述加热保温阶段中，可以根据工件材质及尺寸确定加热过程是否分段，设定各段的加热温度、加热时间、保温时间。

所述渗碳作业包括在渗碳周期和扩散周期，渗碳周期和扩散周期温度、时间均可以根据工件表层的碳浓度梯度和有效硬化层深度进行调整；

在所述渗碳作业中，渗碳周期和扩散周期的温度为750至980℃，渗碳压力为200至2000Pa，先进行渗碳周期，再进行扩散周期，渗碳方式可以是真空渗碳、等离子体渗碳。渗碳作业也可以通过渗碳周期和扩散周期交替的多段式进行，工件表层的碳浓度梯度和有效硬化层深度能够通过所述渗碳周期和所述扩散周期交替进行的次数及每次的持续时间进行调整。在所述渗碳作业中，选择甲烷、乙炔或丙烷气氛为渗碳气体。渗碳阶段的持续时间≥30min。

所述等温气淬作业包括：渗碳作业处理后，随着表面碳含量的升高，对应的Ms点逐渐降低，选择表面富碳区域的Ms点作为等温气淬目标温度(150-350℃)。向渗碳室充入一定压力的冷却气体以使工件表层快速冷却至等温气淬目标温度，冷速高于马氏体转变的临界冷速(≥10℃/s)。然后，在等温气淬目标温度上下一定温度范围内(≤±25℃)采用锯齿状快速上下波动的形式进行保温。最后，充气快冷却至室温。由于表面冷却速度较快，表层一定深度范围内主要为马氏体组织，随着渗层深度的增加冷速减慢贝氏体含量增加，在渗层内部快速获得马氏体和贝氏体的混合组织，基体冷速最慢为贝氏体组织，从而得到表面硬心部韧的梯度组织。另外，在Ms点附近快速变温有利于缩短贝氏体形成的孕育期。

在所述等温气淬作业中，向渗碳室充入冷却气体的压力≥2×10⁵Pa，保温时间≥30min。该阶段通过间隙式向渗碳室中充入冷却气体后再间隙式加热的方式进行，前期主要通过间歇性向加热室吹入冷却气体防止工件内部潜热导致表面温度过分升高，后期采用主要采用间隙性加热的方式，防止工件温度继续降低。充入渗碳室的冷却气体均选择氮气、氩气或氦气。

实施例一：

零件和材料：20CrMnTi同步器滑动齿套。

技术要求：表面硬度≥60HRC；碳化物级别1级；马氏体≤4级；残余奥氏体≤3级；

硬化层深度(CHD)0.7～1.0mm，变形率≤0.1％。

一种工件表层与基体同步强韧化的小变形真空渗碳方法，它是按照以下步骤进行的：

一、加热保温阶段：在10分钟内将工件加热至600℃，保温20分钟，然后加热至后续脉冲渗碳阶段所需的930℃，在该温度下保温20分钟；

二、渗碳阶段：在930℃下，通入渗碳气体乙炔，在渗碳压力3000Pa下进行15个脉冲，强渗总时间为42分钟。然后停止通入渗碳气体，在相同温度下扩散140分钟。

三、等温气淬阶段：向炉中充入8bar氮气并使用风机强制循环，使工件表面快速冷却至230℃，冷速为10℃/s。然后，采用先大幅波动(±25℃)后小幅波动(±5℃)的形式进行保温。前20分钟，由于内部潜热表面温度会发生回升，在对工件表面进行间隙式充气冷却，后40分钟采用间隙式加热防止工件继续降温。保温结束后，向炉中充入8bar氮气并使用风机强制循环，使工件冷却至室温。

如图1所示，为实施例1中发明的真空渗碳工艺曲线，其中增加了等温气淬阶段。

如图2所示，为实施例1中发明的真空渗碳工艺实施过程中实际的测温曲线，等温气淬阶段炉温先大幅波动(±25℃)后小幅波动(±5℃)的形式进行保温。

如图3所示，经为实施例1中发明的真空渗碳工艺处理后试样表层组织主要为针状马氏体，满足马氏体≤4级残余奥氏体≤3级；还含有少量弥散细小的碳化物，级别1级。

如图4所示，经为实施例1中发明的真空渗碳工艺处理后试样渗层内部1/2处组织的SEM照片，可以看到马氏体板条尺寸变大，且出现贝氏体组织和少量的残余奥氏体。

如图5所示，经为实施例1中发明的真空渗碳工艺处理后试样心部基体主要为贝氏体和岛状的残余奥氏体。

如图6所示，经为实施例1中发明的真空渗碳工艺处理后试样表面硬度760HV，心部硬度300HV，硬化层深度为0.82mm。

如图7所示，经为实施例1中发明的真空渗碳工艺处理后齿轮的径向变形率≤0.09％。

如图8所示，经为实施例1中发明的真空渗碳工艺处理后齿轮的轴向变形率≤0.03％。

实施例二：

零件和材料：20CrMnTi减速器齿轮。

技术要求：表面硬度≥60HRC；碳化物级别1级；马氏体≤4级；残余奥氏体≤3级；

硬化层深度(CHD)0.7～1.0mm，变形率≤0.1％。

一种工件表层与基体同步强韧化的小变形真空渗碳方法，它是按照以下步骤进行的：

一、加热保温阶段：在10分钟内将工件加热至600℃，保温20分钟，然后加热至后续脉冲渗碳阶段所需的930℃；

二、渗碳阶段：在930℃下，交替12个渗碳周期和扩散周期，持续总时间为166分钟。第一个渗碳周期的渗碳时间为5.4分钟，脉冲次数为3。第二至第十二渗碳周期为1.8分钟，脉冲次数为1。第二至第十二扩散周期持续时间分别为2.8分钟、4.0分钟、5.1分钟和6.0分钟、7.1分钟、8.3分钟、9.4分钟、10.4分钟、11.5分钟、12.6分钟、13.6分钟和50分钟。渗碳气体为乙炔，乙炔流量为40L/分钟，渗碳压力为1500Pa。

三、等温气淬阶段：向炉中充入8bar氮气并使用风机强制循环，使工件表面快速冷却至230℃，冷速为10℃/s。采用相同幅度波动(±10℃)的形式进行保温45分钟，然后向炉中充入8bar氮气并使用风机强制循环，使工件冷却至室温。

图9为实施例2中发明的真空渗碳工艺曲线，其中等温气淬阶段采用锯齿状等幅波动的形式进行保温。

图10(a)经为实施例2中发明的真空渗碳工艺处理后试样表层组织主要为针状马氏体满足技术要求马氏体≤4级，残余奥氏体≤3级，碳化物较多为细小球形呈弥散分布为1级碳化物。

图10(b)经为实施例2中发明的真空渗碳工艺处理后试样表层组织主要为贝氏体和岛状分布的参与奥氏体。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种工件表层与基体同步强韧化的小变形真空渗碳方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将工件在渗碳室中进行加热保温处理；

步骤2，在750-980℃下，向渗碳室中通入渗碳气体后进行渗碳作业；

步骤3，渗碳结束后向渗碳室中通入冷却气体，使工件表面冷却至150-350℃，冷却速度≥10℃/s；

步骤4，工件表面冷却至等温气淬目标温度时，对工件进行等温气淬作业，等温气淬作业时间为30min以上。

步骤5，向渗碳室中通入冷却气体使工件冷却至室温。

2.如权利要求1所述的一种工件表层与基体同步强韧化的小变形真空渗碳方法，其特征在于：

步骤1所述的加热保温处理过程为两个以上并且保温温度梯次上升的过程。

3.如权利要求1所述的一种工件表层与基体同步强韧化的小变形真空渗碳方法，其特征在于：

步骤2所述的渗碳作业包括先后进行的渗碳周期和扩散周期。

4.如权利要求3所述的一种工件表层与基体同步强韧化的小变形真空渗碳方法，其特征在于：

渗碳作业时渗碳室压力为200至2000Pa；渗碳周期总时间和扩散周期总时间的比率为1:2至1:7；渗碳作业的持续时间为30min以上。

5.如权利要求1所述的一种工件表层与基体同步强韧化的小变形真空渗碳方法，其特征在于：

步骤4所述的等温气淬作业为：保持工件表面温度在等温气淬目标温度附近波动，波动幅度≤±25℃。

6.如权利要求5所述的一种工件表层与基体同步强韧化的小变形真空渗碳方法，其特征在于：

所述波动为等幅波动，

或者：

所述波动包括两个以上并且波动幅度互不相同的阶段，每个阶段的波动为等幅波动。

7.如权利要求5所述的一种工件表层与基体同步强韧化的小变形真空渗碳方法，其特征在于：

保持工件表面温度在等温气淬目标温度附近波动的方法为

间隙式向渗碳室中充入冷却气体后再间隙式加热；

或者：

间隙式向渗碳室中充入冷却气体。

8.如权利要求7所述的一种工件表层与基体同步强韧化的小变形真空渗碳方法，其特征在于：

所述向渗碳室充入冷却气体的压力≥2×10⁵Pa。

9.如权利要求1-7任意一项所述的一种工件表层与基体同步强韧化的小变形真空渗碳方法，其特征在于：

所述渗碳气体为甲烷、乙炔或丙烷，所述冷却气体为氮气、氩气或氦气。

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