CN116574868A - 一种奥氏体钢的强化方法及其应用 - Google Patents

一种奥氏体钢的强化方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种奥氏体钢的强化方法及其应用，属于金属加工技术领域。本发明提供的强化方法包括以下步骤：将奥氏体钢同时进行固溶和渗氮处理，然后进行时效处理，得到强化后的奥氏体钢。本发明的强化方法通过对奥氏体钢同时进行固溶和渗氮处理，可以有效改善奥氏体钢的表层结构，得到的氮化层能够有效提高奥氏体钢的表面硬度，提高耐磨性，且本发明提供的强化方法无需进行镀铬处理，即可得到表面硬度高、耐磨性好的奥氏体钢，且工艺流程简单，产品合格率高，有利于节约成本。

Description

一种奥氏体钢的强化方法及其应用
技术领域
本发明属于金属加工技术领域，尤其涉及一种奥氏体钢的强化方法及其应用。
背景技术
气门是内燃发动机的配气机构的关键部件之一，需在高温冷热高周疲劳，重载荷冲击磨损和热冲蚀摩擦磨损等恶劣工况服役，需要用高温合金钢来制造。现有技术中制备气门的常见加工流程有：电镦、热锻成型、固溶处理、时效处理、抛丸(去氧化皮)、粗机加工、校直、精磨机加工、气门杆镀铬或氮化等。可见，现有技术中的气门加工环节很多，加工成本高；另外，加工环节多也意味着产品不良率增高。这些都造成气门成本增高，降低市场竞争力。此外，加工流程中最后的气门杆镀铬或液体氮化还会对环境造成污染。对于高温合金钢大多用为奥氏体热强钢，低温氮化很难实现，目前只能用镀铬来提高气门杆表面的耐磨问题，但目前欧盟国家正规划取消进口电镀铬产品。因此，寻找一种简便易行、低成本的方法对奥氏体热强钢进行强化处理，得到表面硬度高、耐磨性好的奥氏体热强钢是目前急需解决的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种奥氏体钢的强化方法，所述方法无需进行镀铬处理，即可得到表面硬度高、耐磨性好的奥氏体钢，且工艺流程简单，产品合格率高，有利于节约成本。
本发明的目的之二在于提供一种上述强化方法在制备气门中的应用。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
本发明的第一方面提供了一种奥氏体钢的强化方法，其特征在于，包括以下步骤：将奥氏体钢同时进行固溶和渗氮处理，然后进行时效处理，得到强化后的奥氏体钢。
优选的，所述强化方法中，固溶和渗氮处理的温度为1000～1300℃；进一步优选的，所述强化方法中，固溶和渗氮处理的温度为1100～1150℃；更进一步优选的，所述强化方法中，固溶和渗氮处理的温度为1100～1130℃。
优选的，所述强化方法中，固溶和渗氮处理的时间为80～180min；进一步优选的，所述强化方法中，固溶和渗氮处理的时间为90～150min；更进一步优选的，所述强化方法中，固溶和渗氮处理的时间为100～120min。
优选的，所述强化方法中，固溶和渗氮处理在含有还原性气体的氮气中进行。
优选的，所述还原性气体包括氢气、一氧化碳、硫化氢或甲烷中的至少一种；进一步优选的，所述还原性气体包括氢气、一氧化碳或其组合；更进一步优选的，所述还原性气体选自氢气。
优选的，所述还原性气体在氮气中的体积分数为3～8％；进一步优选的，所述还原性气体在氮气中的体积分数为4～7％；更进一步优选的，所述还原性气体在氮气中的体积分数为5～6％。
优选的，所述强化方法中，固溶和渗氮处理时奥氏体钢间不相互接触。
若固溶和渗氮处理时奥氏体钢间相互接触(如相互堆压)，会导致奥氏体钢的扭曲变形，增大后续的校直工作量。
优选的，所述强化方法中，时效处理的温度为720～780℃；进一步优选的，所述强化方法中，时效处理的温度为740～760℃；更进一步优选的，所述强化方法中，时效处理的温度为745～755℃。
优选的，所述强化方法中，时效处理的时间为2～5h；进一步优选的，所述强化方法中，时效处理的时间为3～4h；更进一步优选的，所述强化方法中，时效处理的时间为3.2～4h。
优选的，所述强化方法中，时效处理在保护性气氛中进行。
优选的，所述保护性气氛包括氮气、氩气或氦气中的至少一种；进一步优选的，所述保护性气氛选自氮气。
优选的，所述强化方法中，进行固溶和渗氮处理后，冷却到300℃以下再进行时效处理。
优选的，进行固溶和渗氮处理后的冷却方式包括气冷、水冷或油冷中的至少一种；进一步优选的，进行固溶和渗氮处理后的冷却方式选自气冷。
进行固溶和渗氮处理后需要进行快速冷却，冷却方式选择气冷可以减少快冷时奥氏体钢的扭曲变形。
优选的，所述强化方法中，进行时效处理后炉冷到500℃以下后再出炉空冷。
优选的，所述强化方法中，奥氏体钢选自奥氏体热强钢。
优选的，所述奥氏体热强钢包括Ni、Cr、Mo、Ti或Al元素中的至少一种。
优选的，所述强化方法中，在奥氏体钢进行固溶和渗氮处理之前，还进行了去氧化处理；进一步优选的，所述去氧化处理选自抛丸。
优选的，所述强化方法中，强化后的奥氏体钢具有氮化层；所述氮化层的厚度为10～30μm；进一步优选的，所述氮化层的厚度为12～25μm；更进一步优选的，所述氮化层的厚度为14～20μm。
本发明的第二方面提供了一种本发明的第一方面所述的强化方法在制备气门中的应用。
优选的，所述气门包括气门盘锥面、气门杆或其组合；进一步优选的，所述气门选自气门杆。
优选的，所述应用中，在奥氏体钢进行固溶和渗氮处理之前，还进行了电镦、热锻成型和粗加工。
优选的，所述应用中，在进行时效处理之后，还进行了校直和精加工。
本发明的有益效果是：本发明的强化方法通过对奥氏体钢同时进行固溶和渗氮处理，可以有效改善奥氏体钢的表层结构，得到的氮化层能够有效提高奥氏体钢的表面硬度，提高耐磨性，且本发明提供的强化方法无需进行镀铬处理，即可得到表面硬度高、耐磨性好的奥氏体钢，且工艺流程简单，产品合格率高，有利于节约成本。
具体来说，与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明采用在固溶处理的同时进行渗氮处理替代传统单纯的固溶处理，在材料表面形成一层含氮的过饱和固溶体，用时效处理形成的表层氮化物层作为奥氏体钢的表面耐磨层，本发明改进了工艺流程，不需要镀铬工序即可得到表面硬度高、耐磨性好的钢材料，镀铬工序所需的生产成本也完全消除，并提高了产品合格率。
2、本发明通过调节固溶和渗氮处理的气氛，在氮气气氛中加入还原性气体，可以改善奥氏体钢强化过程中氧化问题，实现气门表层的渗氮处理，并提高渗层质量，得到的氮化层厚度大、硬化强度高。
3、气门所用的材料大多为奥氏体钢，尤其是奥氏体热强钢，本发明提供的奥氏体钢的强化方法可以有效改善气门尤其是气门杆的表面硬度和耐磨性，在制备气门中具有广泛的应用。
附图说明
图1为气门结构示意图，其中，1为气门盘锥面，2为气门杆。
图2为实施例1和2的气门生产工艺流程图。
图3为实施例1的气门杆截面SEM图。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员根据本发明阐述的原理做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适范围内的选择，而并非要限定于下文示例的具体数据。以下实施例和对比例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有已知方法得到。
常见的气门结构如图1所示，其中，1为气门盘锥面，2为气门杆。
实施例1
本实施例采用Φ13mm的Ni30棒料来生产柴油内燃机发动机气门。Ni30为近年专为柴油内燃机气门设计的奥氏体热强钢，其化学成分为：主要合金元素为Ni、Cr、Mo、Ti、Al等，含量分别为：30wt％～33.5wt％的Ni；13.5wt％～15.5wt％的Cr；2.3wt％～2.9wt％的Ti；1.6wt～2.2wt％的Al和0.4wt～0.9wt％的Nb。Ni30需在1100℃～1150℃固溶90～120min，并在740℃～760℃时效3～4h。如图2流程图所示，进行如下处理：
(1)将Φ13mm的Ni30棒料经电镦+热模锻成型后，立即进行抛丸处理，以去除电镦+热模锻产生的氧化皮，并完成粗机加工工序。
(2)将抛丸后粗加工的气门装上耐高温料框，避免气门叠堆排放。将含气门的料框置于含有快冷室的保护性气氛箱式炉中，关闭炉门，从气门炉进气口充纯氮气20min，以排除炉内大部分氧气，然后充入95vol.％N2+5vol.％H2混合气体。
(3)打开箱式炉加热电源，升温至1100℃，到温后保温120min。然后立即将料框转至含95vol.％N2+5vol.％H2混合气体的快冷室中，完成固溶+渗氮复合处理。
(4)将固溶+渗氮处理后的气门装入时效料框，送入含氮气保护性气氛的时效炉中，升温至750℃保温4h，然后在保护性气氛时效炉中冷却到500℃以下后，出炉空冷至室温。如图3气门杆截面SEM图所示，具有明显的氮化层，气门杆部的氮化层厚度大约为16.5μm。
(5)将时效后的气门进行校直，并对气门进行精磨加工工序。最后经成品检测等，制备出气门杆部位含有1074.5HV0.01的表面耐磨层。
实施例2
本实施例所采用Φ10mm×6mm的LF2棒料来生产柴油内燃机发动机气门。LF2为近年专为柴油内燃机气门设计的奥氏体热强钢，其化学成分为：主要合金元素为Ni、Cr、Mo、Ti、Al等，含量分别为：20wt％～28wt％的Ni；17wt％～23wt％的Cr；1.8wt％～3.2wt％的Ti；0.7wt～2.0wt％的Al和0.7wt～2.0wt％的Nb。LF2需在1100℃～1150℃固溶90～120min，并在740℃～760℃时效3～4h。如图2流程图所示，进行如下处理：
(1)将Φ13mm的LF2棒料经电镦+热模锻成型后，立即进行抛丸处理，以去除电镦+热模锻产生的氧化皮，并完成粗机加工工序。
(2)将抛丸后粗加工的气门装上耐高温料框，避免气门叠堆排放。将含气门的料框置于含有快冷室的保护性气氛箱式炉中，关闭炉门，从气门炉进气口充纯氮气20min，以排除炉内大部分氧气，然后充入95vol.％N2+5vol.％H2混合气体。
(3)打开箱式炉加热电源，升温至1100℃，到温后保温120min。然后立即将料框转至含95vol.％N2+5vol.％H2混合气体的快冷室中，完成固溶+渗氮复合处理。
(4)将固溶+渗氮处理后的气门装入时效料框，送入含氮气保护性气氛的时效炉中，升温至750℃保温4h，然后在保护性气氛时效炉中冷却到500℃以下后，出炉空冷至室温。气门杆部的氮化层厚度大约为15μm。
(5)时效后的气门进行校直，并气门的进行精磨加工工序。最后经成品检测等，制备出气门杆部位含有1570.3HV0.01的表面耐磨层。

Claims (10)

1.一种奥氏体钢的强化方法，其特征在于，包括以下步骤：将奥氏体钢同时进行固溶和渗氮处理，然后进行时效处理，得到强化后的奥氏体钢。
2.根据权利要求1所述强化方法，其特征在于，所述固溶和渗氮处理在含有还原性气体的氮气中进行；
和/或，所述还原性气体在氮气中的体积分数为3～8％。
3.根据权利要求1或2所述强化方法，其特征在于，所述固溶和渗氮处理的温度为1000℃～1300℃；
和/或，所述固溶和渗氮处理的时间为80～180min。
4.根据权利要求1所述强化方法，其特征在于，所述时效处理的温度为700～800℃；
和/或，所述时效处理的时间为2～5h；
和/或，所述时效处理在保护性气氛中进行。
5.根据权利要求1所述强化方法，其特征在于，进行固溶和渗氮处理后，冷却到300℃以下再进行时效处理；所述冷却方式包括气冷、水冷或油冷中的至少一种；
和/或，进行时效处理后炉冷到500℃以下后再出炉空冷。
6.根据权利要求1所述强化方法，其特征在于，所述奥氏体钢选自奥氏体热强钢。
7.根据权利要求1所述强化方法，其特征在于，在奥氏体钢进行固溶和渗氮处理之前，还进行了去氧化处理。
8.根据权利要求1所述强化方法，其特征在于，所述强化后的奥氏体钢具有氮化层；所述氮化层的厚度为10～30μm。
9.权利要求1～8任一项所述强化方法在制备气门中的应用。
10.根据权利要求9所述应用，其特征在于，在奥氏体钢进行固溶和渗氮处理之前，还进行了电镦、热锻成型和粗加工；
和/或，在进行时效处理之后，还进行了校直和精加工。
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