提高薄壁鋼件承載能力熱處理的方法
2023-06-03 08:51:51 1
專利名稱：提高薄壁鋼件承載能力熱處理的方法
技術領域：
本發明涉及的是一種用於鋼鐵化學熱處理領域熱處理的方法，具體是一種提高薄壁鋼件承載能力熱處理的方法。
背景技術：
絕大多數薄壁鋼件是通過冷變形製造的，為了保證材料的變形能力，要求材料的強度不能太高，因而限制了薄壁鋼件的承載能力。現有的技術中，為了提高薄壁鋼件的結構強度，普遍採用加入合金元素的方法或者成型後再淬火形成馬氏體的方法。加入合金元素後雖可提高薄壁件的強度，但使冷變形能力變差，且使成本升高。採用冷變形後再進行淬火的方法雖可提高工件的強度，但會使工件產生較大畸變，不適用於形狀複雜和對尺寸要求嚴格的零件。滲氮是現代工業中普遍採用的化學熱處理技術，通常通過鐵素體狀態下滲氮，在表面形成化合物層來提高鋼件的表面抗腐蝕性和抗磨損性。
經對現有技術的文獻檢索發現，名稱為「成型性與滲氮特性優良的滲氮鋼及其衝壓成型製品」專利申請號96190898.X的專利技術，該技術稱，通過加入某些特定的合金元素如Si、Mn、Cr、V、Ti或Nb等，來提高合金的可衝壓性和可滲氮性，然後通過滲氮的方法在表面形成氮化物，來提高工件表面的硬度，從而改善耐磨性、抗疲勞能力和抗咬合能力等。但由於化合物層脆性較大，鐵素體擴散層的厚度有限，強度不高，因而限制了滲氮工藝在提高結構強度方面的應用。
發明內容
本發明針對現有技術中存在的上述不足和缺陷，提出一種提高薄壁鋼件承載能力熱處理的方法，使其能在不影響薄壁鋼件冷變形能力的前提下，顯著提高其承載能力，而且本發明對鋼材的化學成分沒有特殊要求，超低碳鋼、低碳鋼，低合金鋼等均可適用。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明將經過冷變形成型的工件加熱到Fe-N系奧氏體區域的溫度範圍內(Fe-N系的A1點為590℃)，通過滲氮的方法，在薄壁件上形成含氮奧氏體層，然後將工件快冷抑制含氮奧氏體層的共析轉變，使奧氏體層快冷至300℃以下，分解為彌散的(α-Fe+γ′-Fe4N)兩相組織或轉變為馬氏體，使含氮奧氏體層獲得強化，在工件上得到高強度層，從而使薄壁鋼件的整體結構強度得到大幅提高。
當薄壁件表面形成含氮奧氏體層，將工件快冷180～300℃的範圍進行等溫分解，使含氮奧氏體層形成彌散的(α-Fe+γ′-Fe4N)兩相組織，其中α與γ′的尺寸均十分細小，且相互分割，成為硬度可達到500～1100HV的強化層，從而使薄壁鋼件的整體結構強度明顯提高，提高幅度達40％以上。
或者當薄壁件表面形成含氮奧氏體層，將滲氮後的工件快冷至160～100℃左右，此時，出現少量的高硬馬氏體，但大部分仍為含氮奧氏體，然後轉入180～300℃的爐中時效，含氮奧氏體層發生分解，形成彌散、細小、相互分割的(α-Fe+γ′-Fe4N)兩相強化組織，成為硬度可達到500～1100HV的強化層，使薄壁鋼件的整體結構強度明顯提高，提高幅度達40％以上。
或者當薄壁件表面形成含氮奧氏體層，將滲氮後的工件快冷至室溫，奧氏體層轉變為含氮馬氏體和殘餘奧氏體，使滲層組織得到強化，由此使薄壁鋼件的整體結構強度提高到15％以上。或者當薄壁件表面形成含氮奧氏體層，又將滲氮後的工件快冷至室溫後，轉入180～300℃的爐中時效若干小時，此時，原含氮奧氏體中的殘餘奧氏體發生分解，形成(α-Fe+γ′-Fe4N)兩相細小而彌散互相分割的組織，成為硬度可達到500～1100HV的強化層，原奧氏體中淬火馬氏體轉變為回火馬氏體組織，硬度基本不變，因此工件的整體結構強度與只快冷到室溫相比，得到進一步提高，達到40％以上。
當薄壁件表面形成含氮奧氏體層，又將滲氮後的工件快冷至零度以下，與快冷至室溫的組織相比，馬氏體的數量相對增加，強化效果比快冷至室溫提高，可達20％以上。
本發明方法的顯著優點是對鋼材的化學成分沒有特殊要求，對於超低碳鋼、低碳鋼、低合金鋼等均可適用。特別是對於具備最佳冷變形能力的超低碳鋼，也可通過本方法獲得很高的整體結構強度。與採用加入合金元素來提高零件強度的方法相比，該方法不影響零件的冷變形能力，且簡單易行，成本低，只要具備氣體滲氮和時效設備就可進行。另一方面，採用本方法與通過形成淬火馬氏體的方法相比，工件畸變顯著降低，尤其是第一種和第二種工藝，工件畸變更小，可適用於形狀複雜和對尺寸要求嚴格的零件。
具體實施例方式
結合本發明方法的內容提供以下實施例實施例1厚度為1mm的工業純鐵薄壁件的硬度約在100HV左右，根據顯微硬度與強度的換算關係可知，材料的抗拉強度約為375MPa。在溫度為640℃，氨分解率為86～88％的氣氛中滲氮6小時，並在225℃硝鹽槽等溫12小時後，奧氏體分解層的最高硬度可達1100HV，平均硬度700HV，單邊厚度約為50μm，工件整體平均硬度約為182HV，根據顯微硬度與強度的換算關係可知，材料的整體抗拉強度約為609MPa，較處理前提高了234MPa。
實施例2厚度為0.5mm的超低碳鋼薄壁件，硬度約為100HV，在溫度為640℃，氨分解率為86～88％的氣氛中滲氮4小時後，在120℃的油槽內淬火，然後轉入300℃的空氣爐內等溫1小時，奧氏體分解層的最高硬度可達800HV，單邊厚度約為28μm，平均硬度約為600HV，回火馬氏體的平均硬度約為500HV，單邊厚度約為13μm，含氮鐵素體的平均硬度約為200HV，單邊厚度約為15μm，其它為鐵素體，這樣經過處理的純鐵薄壁件的整體平均硬度約為181HV，根據顯微硬度與強度的換算關係可知，材料的整體抗拉強度約為609MPa，較處理前提高了234MPa。
實施例3厚度為2.5mm的工業純鐵薄壁件，在溫度為640℃，氨分解率為86～88％的氣氛中滲氮6小時，然後將溫度提高到700℃，氨分解率為90～92％的氣氛中繼續滲氮6小時，並快冷至室溫後，在180℃時效70小時後，原奧氏體分解層的最高硬度可達1100HV，平均硬度約為700HV，單邊厚度約為80μm；回火馬氏體的硬度仍保持在約為500HV，單邊厚度約為30μm，含氮鐵素體層的平均硬度約為180HV，單邊厚度約為200μm，這樣經過時效處理的材料整體平均硬度約為157HV，根據顯微硬度與強度的換算關係可知，材料的整體抗拉強度約為534MPa，較處理前提高了159MPa。
實施例4
厚度為0.1mm的工業純鐵薄壁件，在溫度為640℃，氨分解率為86～88％的氣氛中滲氮4小時後，並快冷至室溫後，過冷奧氏體層的平均硬度約為280HV，單邊厚度約為25μm，含氮馬氏體+殘餘奧氏體層的平均硬度約為500HV，單邊厚度約為15μm，含氮鐵素體的平均硬度約為200HV，單邊厚度約為10μm，這樣滲氮並快冷至室溫後的純鐵薄壁件的整體平均硬度約為330HV，根據顯微硬度與強度的換算關係可知，材料的整體抗拉強度約為1100MPa，較處理前提高了725MPa。
實施例5厚度為0.1mm的工業純鐵薄壁件，在溫度為640℃，氨分解率為86～88％的氣氛中滲氮4小時後，並快冷至-60℃，過冷奧氏體層的平均硬度約為280HV，單邊厚度約為20μm，含氮馬氏體+殘餘奧氏體層的平均硬度約為550HV，單邊厚度約為25μm，含氮鐵素體擴散層的平均硬度約為200HV，單邊厚度約為5μm，心部為鐵素體，這樣滲氮並快冷至零度的純鐵薄壁件的整體平均硬度約為407HV，根據顯微硬度與強度的換算關係可知，材料的整體抗拉強度約為1540MPa，較處理前提高了1165MPa。
權利要求
1.一種提高薄壁鋼件承載能力熱處理的方法，其特徵在於，將經過冷變形成型的工件加熱到Fe-N系奧氏體區域的溫度範圍內，通過滲氮的方法，在薄壁件上形成含氮奧氏體層，然後將工件快冷抑制含氮奧氏體層的共析轉變，使奧氏體層快冷至300℃以下，分解為彌散的α-Fe+γ′-Fe4N兩相組織或轉變為馬氏體，使含氮奧氏體層獲得強化，在工件上得到高強度層。
2.如權利要求1所述的提高薄壁鋼件承載能力熱處理的方法，其特徵是，當薄壁件表面形成含氮奧氏體層，將工件快冷180～300℃的範圍進行等溫分解，使含氮奧氏體層形成彌散的α-Fe+γ′-Fe4N兩相組織，其中α與γ′的尺寸均十分細小，且相互分割。
3.如權利要求1所述的提高薄壁鋼件承載能力熱處理的方法，其特徵是，當薄壁件表面形成含氮奧氏體層，將滲氮後的工件快冷至160～100℃左右，此時，出現少量的高硬馬氏體，但大部分仍為含氮奧氏體，然後轉入180～300℃的爐中時效，含氮奧氏體層發生分解，形成彌散、細小、相互分割的α-Fe+γ′-Fe4N兩相強化組織。
4.如權利要求1所述的提高薄壁鋼件承載能力熱處理的方法，其特徵是，滲氮後快冷至室溫，奧氏體層轉變為含氮馬氏體和殘餘奧氏體。
5.如權利要求1或者4所述的提高薄壁鋼件承載能力熱處理的方法，其特徵是，滲氮並快冷至室溫後，轉入180～300℃的爐中時效，此時，原含氮奧氏體層發生分解，形成細小彌散並互相分割的α-Fe+γ′-Fe4N兩相組織，原奧氏體中淬火馬氏體轉變為回火馬氏體。
6.如權利要求1所述的提高薄壁鋼件承載能力熱處理的方法，其特徵是滲氮後快冷至零度以下，增加馬氏體的數量。
全文摘要
一種用於鋼鐵化學熱處理領域的提高薄壁鋼件承載能力熱處理的方法，將經過冷變形成型的工件加熱到Fe－N系奧氏體區域的溫度範圍內，通過滲氮的方法，在薄壁件上形成含氮奧氏體層，然後將工件快冷抑制含氮奧氏體層的共析轉變，使奧氏體層快冷至300℃以下，分解為彌散的(α－Fe+γ′－Fe
文檔編號C23F17/00GK1621564SQ20041008928
公開日2005年6月1日 申請日期2004年12月9日 優先權日2004年12月9日
發明者胡明娟, 李曉玲, 潘健生, 劉佔倉, 蔣志俊 申請人:上海交通大學