高碳鉻軸承零件表面化學熱處理工藝的製作方法

2023-12-11 00:13:42 3

專利名稱：高碳鉻軸承零件表面化學熱處理工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬材質零件的表面處理方法，尤其是高碳鉻軸承零件表面化學熱處理工藝。
背景技術：
對高碳鉻軸承零件如內圈、外圈的淬回火處理，目前通常是採用連續式網帶爐直接加熱淬回火工藝。套圈常規熱處理的典型工藝過程如下冷輾件(或車加工件)→(淬回火生產線)→前清洗→加熱→保溫→淬火→後清洗→回火→磨加工，熱處理曲線如圖1所示。
由於用戶對軸承壽命的要求在不斷提高，而軸承壽命直接受到鋼材質量的制約，採用常規方法大幅提高軸承接觸疲勞強度、耐磨性及表面硬度很困難。
研究表明，原材料質量的好壞對軸承壽命具有重大影響。然而，我國軸承鋼的冶煉技術及質量水平與國外發達國家相比還有較大的差距。因此，要通過改善鋼材質量來提高軸承壽命尚需較長的發展過程。
目前在汽車及摩託車齒輪表面處理上，常用到多用爐或推桿式碳氮共滲生產線，通過滲碳或碳氮共滲，使齒輪表面滲入碳元素或碳、氮兩種元素，來提高齒輪的接觸疲勞強度及表面硬度。但是這種設備及工藝還未運用到高碳鉻軸承零件上。

發明內容
本發明的目的在於提供一種通過碳氮共滲來提高軸承接觸疲勞強度及表面硬度的高碳鉻軸承零件表面化學熱處理工藝。
本發明包括以下步驟a、在多用爐或推桿式碳氮共滲生產線的控制面板上設定好工藝流程及工藝參數；b、加工成形的高碳鉻軸承零件進入多用爐或推桿式碳氮共滲生產線中，前清洗0.25-1h，除去零件表面的油汙；c、零件加熱升溫，在300-550℃預氧化0.5-2h；d、零件繼續加熱升溫，同時通入保護氣，當溫度達到800-900℃時，通入富化氣和滲氮劑，進行碳氮共滲，碳勢為0.9％-1.5％；
e、碳氮共滲1-8小時後，零件開始降溫，同時進行碳氮擴散，當溫度降到800-860℃時，保持溫度不變，繼續碳氮擴散，碳勢為0.7％-1.3％；f、經過0.5-6h碳氮擴散後，在溫度800-860℃下進行淬火；g、淬火後後清洗0.25-1h，除去零件表面油汙，再在溫度100-300℃下進行回火；h、回火2-5h後，零件退出多用爐或推桿式碳氮共滲生產線，空氣冷卻。
上述d步驟中通入的保護氣為純甲醇或純氮氣或甲醇與氮氣的混合氣或其它保護氣氛。
上述d步驟中通入的富化氣為純丙烷或純丙酮或純煤油或其它滲碳劑。
上述d步驟中通入的滲氮劑為純氨氣或其它滲氮劑，流量為0.1-10m3/h。
本發明從鋼材表面改性的角度，採用目前用於汽車及摩託車齒輪滲碳或碳氮共滲加工的熱處理設備，即多用爐或推桿式碳氮共滲生產線，通過滲入碳、氮兩種元素，使高碳鉻軸承零件表面層淬火後形成一層特殊的組織，從而達到提高軸承接觸疲勞強度及表面硬度的目的。
多用爐主要由同一個控制面板控制的清洗機、主爐和回火爐三種設備組成，擺放時，三種設備的前端對齊，在它們的前方鋪設軌道，軌道上設置一臺轉運車，負責根據程序自動實現工件在各設備的進出。
多用爐的生產過程為上料(工件裝入轉運車)→清洗機(清洗零件)→主爐(根據電腦程式進行預氧化→碳氮共滲→降溫擴散→淬火)→清洗機(清洗零件)→回火爐(回火)→卸料(工件從轉運車中取出)。
推桿式碳氮共滲生產線由同一個控制面板控制的前清洗機、預氧化爐、主爐、後清洗機、回火爐各1臺組成，整個生產線依靠閉式循環的軌道聯通，軌道貫通所有設備底部。工件置於特製的方形託盤上並放置於軌道上，各方形託盤相互緊挨，通過推桿施加移動的動力傳遞到每一個託盤，實現工件在不同設備間的通行。
推桿式碳氮共滲生產線的生產過程為上料(工件裝入託盤)→前清洗機(清洗零件)→預氧化爐(預氧化)→主爐(產品依次通過碳氮共滲區、降溫擴散區、淬火區)→後清洗機(清洗零件)→回火爐(回火)→卸料(工件從託盤中取出)→上料(下一個循環)。
本發明的有益效果是1、表面硬度大幅提高，可達HRC66以上；2、表面形成很高的壓應力；
3、接觸疲勞強度、耐磨性大幅提高；4、使用壽命大幅提高，比正常產品壽命高3-6倍。
通過本發明的表面化學熱處理工藝處理後的高碳鉻軸承零件經下列標準檢驗，符合檢驗要求。
檢驗標準1)滲層質量檢驗時，零件在淬火狀態下檢驗。
2)共滲層深度(0.40-0.60)mm。
3)測量共滲層深度時用金相法或硬度梯度法。用硬度梯度法時，取硬度比基體硬度高20HV處為有效滲層深度。
4)層深波動範圍同一工件≤0.15mm；同一批次≤0.20mm。
5)淬火表面硬度HV≥825，相當於HRC≥64；測量點為距表面0.20mm處。回火表面硬度(713-795)HV，相當於(60-63)HRC；測量點為距表面0.20mm處。
6)淬火後變形量d≤Φ30時，外徑橢圓度≤0.06mm；d≤Φ80時，外徑橢圓度≤0.10mm。
7)淬火後組織a)心部按JB/T1255-2001，≤5級；b)滲層組織按QCn29018-1991標準；碳氮化合物(1-4)級合格；殘餘奧氏體及馬氏體(1-4)級合格；c)表層含碳量(1.05-1.15)％，含氮量(0.20-0.35)％；d)距表面0.02mm以後的滲層不得有黑色組織；e)不得有裂紋；8)表面不許有氧化、脫碳層。
9)表層不得有軟點。
10)表面顏色均勻一致，不得有花斑。
11)表面不得有鏽蝕。
12)產品不得有碰劃傷。
經過本發明加工的軸承零件組裝後的產品壽命試驗報告見如下《滾動軸承壽命、可靠性試驗報告》。
滾動軸承壽命、可靠性試驗報告軸承型號6304/P5CS14試驗類別對比試驗





圖1為高碳鉻軸承零件的常規熱處理曲線圖。
圖2為本發明的熱處理曲線圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明如圖2所示，0-T0時間段為零件初始加熱升溫階段；T0-T1時間段為零件表面預氧化階段；T1-T2時間段為零件繼續加熱升溫階段，從T1時間開始通入保護氣，保護零件不被氧化；T2-T3時間段為碳氮共滲階段，從T2時間開始通入富化氣和滲氮劑，分解出活性碳原子和氮原子，並分別滲入到零件的表面層中，通過預先設定的碳勢值，多用爐或推桿式碳氮共滲生產線可以自動調節富化氣和滲氮劑的流量；T3-T5時間段為零件降溫擴散階段，活性碳原子及氮原子滲入到零件表面的更深層中，從T3時間開始降溫，同時進行碳氮擴散，至T4時間，保持溫度不變，繼續碳氮擴散；T5-T6時間段為淬火階段；T6-T7時間段為後清洗階段；T7-T8時間段為回火階段。
實施例1，高碳鉻軸承內圈的加工工藝包括以下步驟(1)高碳鉻原材料依次經鍛造、退火、車輾加工成軸承內圈，始鍛溫度1150℃，終鍛溫度850℃；退火溫度800℃，時間15h。
(2)在推桿式碳氮共滲生產線的控制面板上設定好流程及工藝參數，流程前清洗→預氧化→碳氮共滲→降溫擴散→淬火→後清洗→回火；參數前清洗0.3h；預氧化溫度350℃、時間1h；碳氮共滲溫度850℃、時間3h、碳勢1.4％；碳氮擴散起始溫度850、截止溫度820℃、時間2h、碳勢0.9％；氨氣流量0.5m3/h；淬火溫度820℃、淬火油溫80℃；後清洗0.4h；回火溫度200℃、時間3h。
(3)加工成形的軸承內圈裝入託盤中，啟動程序，託盤沿軌道前進，將軸承內圈運入前清洗機中，通過清洗劑清洗0.3h，除去零件表面的油汙。
(4)託盤沿軌道繼續前進，進入預氧化爐，軸承內圈開始加熱升溫，當溫度達到350℃時，預氧化1h。
(5)託盤沿軌道繼續前進，進入主爐的碳氮共滲區，軸承內圈繼續加熱升溫，同時通入純甲醇，當溫度達到850℃時，通入純丙烷和純氨氣，進行碳氮共滲。
(6)碳氮共滲3h後，託盤進入主爐的降溫擴散區，軸承內圈開始降溫，同時進行碳氮擴散，當溫度降到820℃時，保持溫度不變，繼續碳氮擴散。
(7)碳氮擴散2h後，託盤進入主爐的淬火區，軸承內圈開始油淬。
(8)淬火後託盤沿軌道繼續前進，出主爐，進入後清洗機，在後清洗機內對軸承內圈清洗0.3h，除去零件表面油汙。
(9)託盤繼續沿軌道將軸承內圈運出後清洗機，進入回火爐，進行回火。
(10)回火後，託盤出回火爐，將軸承內圈從託盤中取出，空氣冷卻至室溫。
(11)依次進行粗磨、精磨、超精磨。
(12)清洗、塗油並包裝，製得成品。
實施例2，高碳鉻軸承鋼球的加工工藝包括以下步驟(1)高碳鉻原材料依次經冷鐓、光磨成鋼球。
(2)在多用爐的控制面板上設定好流程及工藝參數，流程前清洗→預氧化→碳氮共滲→降溫擴散→淬火→後清洗→回火；參數前清洗0.8h；預氧化溫度400℃、時間1.5h；碳氮共滲溫度880℃、時間6h、碳勢1.5％；碳氮擴散起始溫度880、截止溫度850℃、時間4h、碳勢0.8％；氨氣流量3m3/h；淬火溫度850℃、淬火油溫80℃；後清洗1h；回火溫度250℃、時間4h。
(3)加工成形的軸承鋼球裝入轉運車中，啟動程序，轉運車沿軌道前進，將軸承鋼球送入清洗機中，通過清洗劑清洗0.8h，除去零件表面的油汙。
(4)轉運車沿軌道繼續前進，進入主爐中，鋼球開始加熱升溫，當溫度達到400℃時，預氧化1.5h。
(5)鋼球繼續加熱升溫，同時通入純氮氣，當溫度達到880℃時，通入純煤油和純氨氣，進行碳氮共滲。
(6)碳氮共滲6h後，鋼球開始降溫，同時進行碳氮擴散，當溫度降到850℃時，保持溫度不變，繼續碳氮擴散。
(7)碳氮擴散4h後，鋼球開始進行油淬。
(8)淬火後轉運車將鋼球運出主爐，並進入清洗機中，清洗1h，除去零件表面油汙。
(9)轉運車繼續沿軌道前進，將鋼球運出清洗機，進入回火爐，進行回火。
(10)回火後，轉運車出回火爐，將軸承鋼球從轉運車中取出，空氣冷卻至室溫。
(11)鋼球進入強化機，進行強化處理1h。
(12)依次進行硬磨、研磨、超精磨。
(13)清洗、塗油並包裝，製得成品。
權利要求
1.一種高碳鉻軸承零件表面化學熱處理工藝，其特徵在於包括以下步驟a、在多用爐或推桿式碳氮共滲生產線的控制面板上設定好工藝流程及工藝參數；b、加工成形的高碳鉻軸承零件進入多用爐或推桿式碳氮共滲生產線中，前清洗0.25-1h，除去零件表面的油汙；c、零件加熱升溫，在300-550℃預氧化0.5-2h；d、零件繼續加熱升溫，同時通入保護氣，當溫度達到800-900℃時，通入富化氣和滲氮劑，進行碳氮共滲，碳勢為0.9％-1.5％；e、碳氮共滲1-8小時後，零件開始降溫，同時進行碳氮擴散，當溫度降到800-860℃時，保持溫度不變，繼續碳氮擴散，碳勢為0.7％-1.3％；f、經過0.5-6h碳氮擴散後，在溫度800-860℃下進行淬火；g、淬火後後清洗0.25-1h，除去零件表面油汙，再在溫度100-300℃下進行回火；h、回火2-5h後，零件退出多用爐或推桿式碳氮共滲生產線，空氣冷卻。
2.根據權利要求1所述的高碳鉻軸承零件表面化學熱處理工藝，其特徵在於上述d步驟中通入的保護氣為純甲醇或純氮氣或甲醇與氮氣的混合氣。
3.根據權利要求1所述的高碳鉻軸承零件表面化學熱處理工藝，其特徵在於上述d步驟中通入的富化氣為純丙烷或純丙酮或純煤油。
4.根據權利要求1所述的高碳鉻軸承零件表面化學熱處理工藝，其特徵在於上述d步驟中通入的滲氮劑為純氨氣，流量為0.1-10m3/h。
全文摘要
本發明公開了一種高碳鉻軸承零件表面化學熱處理工藝，包括設定工藝流程及工藝參數、前清洗、預氧化、加熱、碳氮共滲、降溫擴散、淬火、回火等步驟；本發明從鋼材表面改性的角度，採用目前用於汽車及摩託車齒輪滲碳或碳氮共滲加工的熱處理設備，即多用爐或推桿式碳氮共滲生產線，通過滲入碳、氮兩種元素，使高碳鉻軸承零件表面層淬火後形成一層特殊的組織，從而達到提高軸承接觸疲勞強度及表面硬度的目的。
文檔編號C21D9/40GK1804128SQ200510057410
公開日2006年7月19日 申請日期2005年11月30日 優先權日2005年11月30日
發明者趙興新, 鄭建明, 範玉龍 申請人:重慶長江軸承工業有限公司