複合熱處理方法

2023-05-17 19:13:31 1

專利名稱：複合熱處理方法
技術領域：
本發明涉及的是一種熱處理方法，特別是一種提高奧氏體滲氮/氮碳共滲層深度和減少變形的複合熱處理方法，屬於熱處理技術領域。
背景技術：
滲碳或碳氮共滲是鋼在奧氏體狀態下通過碳或碳和氮的滲入使零件表面改變化學成分和顯微組織的表面改性技術，具有高的硬度和耐磨性，硬度最高達56～62HRC，相當於600～750HV。心部獲得低馬氏體(或貝氏體、索氏體)等組織，具有一定韌性，所以已獲得廣泛應用。但零件表面硬度和耐磨性的提高受到限制，另外由於這些處理(碳氮共滲為840～880℃，滲碳為860～930℃，滲碳後淬火溫度為840～860℃)溫度較高會使零件發生較大的變形，後續加工量較大。為提高有效硬化層深度，人們不斷探索新的工藝方法，經文獻檢索發現，黃建洪等在《金屬熱處理》(1998年第三期P33～38)，題為「含氮馬氏體及其應用——工藝與討論」的綜述性文章中提到多種複合處理方法，其中滲氮與滲碳複合處理，經氮碳共滲的10鋼與580℃氮碳共滲+800℃水淬相比，有效硬化層深從0.09mm提高到0.21mm，總硬化層深度從0.23mm提高到0.40mm。該法是低溫氮碳共滲+800℃水淬，且表面有低硬度疏鬆層，這些處理只可能在薄型衝壓件如儀表零件上應用。

發明內容
本發明針對現有技術的不足和缺陷，提供一種複合熱處理方法，使其能提高奧氏體滲氮/氮碳共滲層深度和減少變形，有機結合併充分發揮各工藝的優點，克服各自缺點達到揚長補短，從而獲得優異的性能。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明通過將化學熱處理(如滲碳或碳氮共滲)與奧氏體滲氮或奧氏體氮碳共滲技術結合起來進行複合處理方法，先將工件加熱至奧氏體狀態進行滲碳或碳氮共滲，獲得預定的滲層，然後在同爐內將溫度降低到奧氏體滲氮溫度620～720℃進行滲氮或氮碳共滲處理，使工件表面層奧氏體的氮濃度提高到奧氏體滲氮層的水平，再進行直接淬火和在200～300℃範圍內的時效或直接進行200～300℃溫度區間中的等溫淬火，使高氮奧氏體發生分解，得到高的表面硬度和耐磨性。
以下對發明方法作進一步的描述，具體如下(1)工件裝爐後在860～930℃溫度下滲碳，控制碳勢，在達到預定的滲層深度後，隨爐降溫至620～720℃範圍進行奧氏體滲氮，氣源為氨氣或氨氣+氨分解氣，控制氨分解率、爐氣成分和溫度，使工件表面氮濃度達到奧氏體飽和濃度，然後出爐淬油或水溶性介質，並再進行200～300℃溫度範圍內的時效處理或直接在這一範圍等溫淬火。
(2)工件在840～880℃溫度下進行碳氮共滲，當深度達預定要求後隨爐降溫至620～720℃範圍內進行奧氏體滲氮，通入氨或氨分解氣體，控制氨分解率獲得最高氮濃度達到飽和的高氮奧氏體層，並立即淬入油或水溶性介質中再進行200～300℃內某一溫度時效或直接於200～300℃溫度下等溫淬火處理。
對一些中碳或中碳低合金鋼工件，如45鋼、40Cr鋼製工具機齒輪等工件，先行830～850℃的奧氏體化，並保溫一定時間後隨爐冷卻至600～650℃溫度範圍中某一溫度進行奧氏體滲氮，使用氨氣或氨氣+氨分解氣氛，控制分解率和通入氣體的比例，獲得最高氮濃度達到飽和的高氮奧氏體層，淬入油或水溶性介質後於200～300℃區間時效處理或直接在200～300℃之間等溫處理。使表面層獲得優異性能，心部為索氏體組織，可以取代正火或調質後進行感應淬火的工藝，零件的耐磨性有更大提高。
(4)本發明採用分區段調節氣氛和溫度的輸送帶式爐進行，前區段進行滲碳或碳氮共滲，後區段進行奧氏體滲氮，並於爐子淬火口處落入淬火油槽或水溶性淬火槽中，然後取出進行時效處理或直接作等溫淬火處理，對中碳或中碳低合金鋼工件則在前區段進行830～850℃的奧氏體化，後區段進行奧氏體滲氮並進行淬火和時效處理或等溫淬火。
(5)本發明也可採用周期爐進行，其過程是先施行滲碳或碳氮共滲，然後降至620～720℃施行奧氏體滲氮，並進行淬火和時效或等溫淬火。
對前區段和後區段之間或後區段降溫至620～720℃範圍中進行奧氏體滲氮，或用620～720℃範圍的奧氏體氮碳共滲工藝代替。
本發明具有實質性特點和顯著進步，本發明使處理工件兼具奧氏體滲氮淬火時效處理的高硬度(＞900HV)，又具有淬火溫度(620～720℃)較低能減少工件變形的顯著優越性，同時可以成倍提高奧氏體滲氮的有效硬化層深度。
具體實施例方式
結合本發明的內容進一步提供以下實施例實施例1紡織機件針筒，外圓φ150mm，內圓φ120mm，高250mm，在外圓周上部沿360°圓周方向均勻分布寬1.5mm，深10mm，長110mm的織針槽，材料20鋼，表面硬度＞750HV，滲層深度要求為0.2～0.3mm。
零件在密封井式爐上進行處理，第一階段為碳氮共滲，滲劑可選用甲醇、丙酮和氨氣，溫度840℃，1小時後開始降溫至620℃，進行奧氏體滲氮3小時，控制氨分解率75％，獲得高含氮量的奧氏體層，然後淬入250℃等溫淬火槽中停留3小時。工件表面硬度達950HV，滲層深度要求為0.3mm，工件變形滿足技術要求，顯著提高使用壽命，可由一年提高到三年以上。
實施例2指甲鉗，材料45鋼，表面硬度要求＞850HV以上，滲層深度要求為0.1～0.2mm。曾應用滲碳淬火，碳氮共滲後淬火和表面淬火等方法處理，均達不到表面硬度要求，而且由於有些部件兩邊形狀不對稱，在淬火冷卻中發生變形超差，校正存在大的困難。
零件在能進行分段氣氛控制的網帶爐中處理爐前段在800～820℃進行碳氮共滲，滲劑可選甲醇和氨氣，時間30分鐘，在爐子後段降溫至640℃通入氨氣進行奧氏體滲氮30分鐘後淬入淬火槽(油或水)，然後取出工件在225℃時效處理3小時。工件表面硬度＞850HV，滲層深度為0.15mm，變形明顯減小，符合技術要求，已有產品出口。
實施例3縫紉機曲軸，材料20Cr，要求滲層深度為0.4～0.5mm，表面硬度高於850HV，曾用滲碳處理工件變形超差。用鐵素體氮碳共滲則滲層深度達不到要求。
處理在密封箱式爐中進行，前期在900℃進行滲碳，控制碳勢0.85～0.90％，時間2h，滲劑採用甲醇+丙酮，滲層檢查達要求後降溫至720℃通入氨，氨分解率控制85～90％，時間3小時，使工件經處理後獲得0.5mm的高氮奧氏體層，隨後淬火(油或水)，並在250℃時效3小時。處理後工件表面硬度達900HVHV。
實施例4精密工具機傳動齒輪，材料45鋼，但要求傳動精度高和壽命長。處理在能進行分段控制爐溫和氣氛控制的網帶爐上處理，前區段進行840℃的奧氏體化，採用甲醇裂解氣保護氣氛作用，後區段降溫至650℃進行奧氏體滲氮，時間3小時，處理結束後淬油並立即在200℃進行5h的時效處理，工件表面硬度＞900HV，深度達0.3mm齒輪變形小，略加研磨後即可裝配，這樣的齒輪耐磨性好，經長期使用仍能保持高的精度。
實施例5工業縫紉機螺旋傘齒輪要求良好耐磨性，用一般碳氮共滲處理後易磨損，壽命低，而且因淬火變形大，以致運行時噪聲達到85分貝以上。
用井式爐處理，780℃應用甲醇+丙酮+氨進行碳氮共滲，當層深0.25mm時，降溫至660℃用甲醇通氨進行奧氏體氮碳共滲，出爐後於300℃等溫淬火3小時。工件表面硬度＞900HV，使用壽命提高2倍，噪聲降至70分貝。
權利要求
1.一種複合熱處理方法，其特徵在於通過將化學熱處理與奧氏體滲氮或奧氏體氮碳共滲技術結合起來進行複合處理方法，先將工件加熱至奧氏體狀態進行滲碳或碳氮共滲，獲得預定的滲層，然後在同爐內將溫度降低到奧氏體滲氮溫度620～720℃進行滲氮或氮碳共滲處理，使工件表面層奧氏體的氮濃度提高到奧氏體滲氮層的水平，再進行直接淬火和在200～300℃範圍內的時效或直接進行200～300℃溫度區間中的等溫淬火。
2.根據權利要求1所述的這種複合熱處理方法，其特徵是將工件加熱至奧氏體狀態進行滲碳和在同爐內將溫度降低到奧氏體滲氮溫度進行滲氮或氮碳共滲結合的複合處理方法具體如下工件裝爐後在860～930℃溫度下滲碳，控制碳勢，在達到預定的滲層深度後，隨爐降溫至620～720℃範圍進行奧氏體滲氮，氣源為氨氣或氨氣+氨分解氣，控制氨分解率、爐氣成分和溫度，使工件表面氮濃度達到奧氏體飽和濃度，然後出爐淬油或水溶性介質，並再進行200～300℃溫度範圍內的時效處理或直接在這一範圍等溫淬火。
3.根據權利要求1所述的這種複合熱處理方法，其特徵是將工件加熱至奧氏體狀態進行碳氮共滲和在同爐內將溫度降低到奧氏體滲氮溫度進行滲氮或氮碳共滲結合的複合處理方法具體如下工件在840～880℃溫度下進行碳氮共滲，當深度達預定要求後隨爐降溫至620～720℃範圍內進行奧氏體滲氮，通入氨或氨分解氣體，控制氨分解率獲得最高氮濃度達到飽和的高氮奧氏體層，並立即淬入油或水溶性介質中再進行200～300℃內某一溫度時效或直接於200～300℃溫度下等溫淬火處理。
4.根據權利要求1或2或3所述的這種複合熱處理方法，其特徵是採用分區段調節氣氛和溫度的輸送帶式爐進行，前區段進行滲碳或碳氮共滲，後區段進行奧氏體滲氮，並於爐子淬火口處落入淬火油槽或水溶性淬火槽中，然後取出進行時效處理或直接作等溫淬火處理，對中碳或中碳低合金鋼工件則在前區段進行830～850℃的奧氏體化，後區段進行奧氏體滲氮並進行淬火和時效處理或等溫淬火。
5.根據權利要求4所述的這種複合熱處理方法，其特徵是對前區段和後區段之間或後區段降溫至620～720℃範圍中進行奧氏體滲氮，或用620～720℃範圍的奧氏體氮碳共滲工藝代替。
6.根據權利要求1或2或3所述的這種複合熱處理方法，其特徵是採用周期爐進行，其過程是先施行滲碳或碳氮共滲，然後降至620～720℃施行奧氏體滲氮，並進行淬火和時效或等溫淬火。
全文摘要
複合熱處理方法屬於熱處理技術領域。本發明通過將化學熱處理與奧氏體滲氮或奧氏體氮碳共滲技術結合起來進行複合處理方法，先將工件加熱至奧氏體狀態進行滲碳或碳氮共滲，獲得預定的滲層，然後在同爐內將溫度降低到奧氏體滲氮溫度620～720℃進行滲氮或氮碳共滲處理，使工件表面層奧氏體的氮濃度提高到奧氏體滲氮層的水平，再進行直接淬火和在200～300℃範圍內的時效或直接進行200～300℃溫度區間中的等溫淬火。本發明使處理工件兼具奧氏體滲氮淬火時效處理的高硬度(＞900HV)，又具有淬火溫度(620～720℃)較低能減少工件變形的顯著優越性，同時可以成倍提高奧氏體滲氮的有效硬化層深度。
文檔編號C23C8/34GK1424425SQ0215772
公開日2003年6月18日 申請日期2002年12月25日 優先權日2002年12月25日
發明者胡明娟, 沈甫法, 蘇智輝, 朱祖昌, 卑多慧 申請人:上海交通大學