渗碳淬火工艺

技术领域

本发明涉及热处理领域，具体而言，涉及一种渗碳淬火工艺。

背景技术

近年来，随着汽车、高铁和风电等产业的发展，高速、重载成为目前的重点研究方向，齿轮钢能否可以满足高质量、高性能的要求成为亟待解决的问题。由于齿轮在工作过程中主要受到摩擦磨损、弯曲冲击等作用，齿轮寿命大幅降低，采用高质量的合金齿轮钢，并进行渗碳淬火处理可有效提高齿轮的承载能力和使用寿命。国内现有的齿轮钢的钢种已经难以满足工作生产的需求，开始逐渐引进国外先进的齿轮钢制备技术，目前，多数重型机械和重型汽车均采用Cr-Ni、Cr-Mo或Cr-Ni-Mo系齿轮钢，该类型渗碳齿轮钢具有高的抗拉强度、较高的冲击韧性以及良好的淬透性，能很好满足高功率、高强度的渗碳齿轮钢技术要求。然而由于重载和陆续提高的线速度要求，使得齿轮出现疲劳失效、冲击过载以及表面磨损，其中疲劳失效是齿轮破坏最主要的形式，而表面渗碳层的质量直接关系到齿轮的疲劳寿命。现有技术中，采用渗碳淬火工艺对齿轮钢进行热处理，以提高齿轮钢的使用性能。

经发明人研究发现，现有技术的对于齿轮钢的热处理工艺存在如下缺点：

工艺稳定性差、易出现渗碳淬火组织不良、工艺周期长，采用热处理后获取的材料制备的齿轮性能差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种渗碳淬火工艺，该工艺稳定性好、渗碳淬火组织稳定、工艺周期短，并且，采用该工艺处理后的材料具有良好的微观性能和机械性能，利用该材料制备的齿轮的使用寿命长。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明提供一种渗碳淬火工艺，该工艺包括如下步骤：

步骤s100、将放置有工件的渗碳炉的炉内温度控制在600℃-700℃并维持第一设定时间；

步骤s200、在所述步骤s100之后，将炉内温度升温至800℃-900℃以及将所述渗碳炉内的碳势控制在0.5％-0.7％之间，并维持第二设定时间；

步骤s300、在所述步骤s200之后，对工件进行渗碳处理步骤；

步骤s400、在所述步骤s300之后，对工件进行淬火处理步骤。

在可选的实施方式中，所述渗碳处理步骤包括依次进行的预渗碳步骤以及循环渗碳步骤，所述循环渗碳步骤中的炉内最高碳势高于所述预渗碳步骤中的炉内最高碳势。

在可选的实施方式中，所述预渗碳步骤包括：将炉内温度升温至910℃-950℃以及将所述渗碳炉内的碳势控制在0.75％-0.95％之间，并维持第三设定时间。

在可选的实施方式中，所述循环渗碳步骤包括依次循环进行的强渗碳步骤和扩散步骤，所述强渗碳步骤的炉内最低碳势不低于所述扩散步骤中的炉内最高碳势。

在可选的实施方式中，所述强渗碳步骤包括：将所述渗碳炉内的碳势控制在1.0％-1.1％之间并维持第四设定时间。

在可选的实施方式中，所述扩散步骤包括：将所述渗碳炉内的碳势控制在0.7％-0.8％之间并维持第五设定时间，所述第五设定时间小于所述第四设定时间。

在可选的实施方式中，在所述循环渗碳步骤中的最后一次扩散步骤之后还包括依次进行的第一次冷却步骤和第二次冷却步骤，所述第一次冷却步骤包括：控制所述渗碳炉内的碳势在0.7％-0.8％之间以及使炉内温度下降至830℃-860℃，并维持第五设定时间；所述第二次冷却步骤包括：将工件从所述渗碳炉内取出并置于缓冷罐中维持第六设定时间，随后再取出工件空冷至室温。

在可选的实施方式中，所述淬火处理步骤包括依次进行的均温步骤、升温淬火步骤和低温回火步骤。

在可选的实施方式中，所述均温步骤包括：将空冷至室温的工件放置于淬火炉且将炉温控制在至630℃-660℃之间，并维持第七设定时间；

所述升温淬火步骤包括：将淬火炉的碳势控制在0.7％-0.8％之间且将炉温升温至825℃-835℃之间，并维持第八设定时间，随后保持淬火炉内的碳势且将淬火炉的温度升温至840℃-850℃之间并维持小于所述第八设定时间的第九设定时间；然后利用淬火油淬火。

在可选的实施方式中，所述低温回火步骤包括：将淬火炉的炉温降低至160℃-220℃之间进行回火并维持第十设定时间。

本发明实施例的有益效果是：

综上所述，本实施例提供的渗碳淬火工艺，主要应用于齿轮材料的制备，先将用于制备齿轮的工件定位于渗碳炉内，利用加热装置使渗碳炉的炉温升高至600℃-700℃并维持第一设定时间，也即使工件在600℃-700℃的温度环境下放置第一设定时间，能够减小工件变形并且均衡工件的组织。在工件放置第一设定时间后，将炉内温度升温至800℃-900℃以及将所述渗碳炉内的碳势控制在0.5％-0.7％之间，并维持第二设定时间，如此，能够减小工件变形以及建立稳定的渗碳气氛，利于后续对工件进行渗碳和淬火处理。也就是说，通过在对工件进行渗碳处理和淬火处理之间，先对工件进行预处理，从而不仅使工件的组织稳定，还能够为后续渗碳和淬火提供良好的作业环境，最终经过热处理后的工件能具有良好的微观性能和机械性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例的渗碳淬火工艺的工艺流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

目前，工件尤其是用于制造Cr-Ni、Cr-Mo、Cr-Mn-Mo或Cr-Ni-Mo等系齿轮钢的工件需要进行热处理，以提高齿轮钢的使用寿命。现有技术中，在进行工件热处理时，采用的处理步骤包括依次进行的升温-强渗碳-扩散-炉冷-高温回火-淬火均温-淬火以及低温回火。现有技术的热处理工艺，存在工艺稳定性差、渗碳淬火组织不良、工艺周期长等问题，并且利用现有技术的热处理工艺获取的材料制成的齿轮的性能差。

鉴于此，设计者设计了一种渗碳淬火工艺，该工艺稳定性好，工件的组织均匀，热处理后的工件具有良好的微观性能和机械性能，通过热处理后的工件制造的齿轮性能优良，使用寿命长。

应当理解，本实施例提供的渗碳淬火工艺不仅适用于制备Cr-Ni、Cr-Mo、Cr-Mn-Mo或Cr-Ni-Mo等系齿轮钢的材料的热处理，还能够适用于其他金属材料的热处理，本实施例中不进行一一列举。

请参阅图1，本实施例中，渗碳淬火工艺包括：

步骤s100、将放置有工件的渗碳炉的炉内温度控制在600℃-700℃并维持第一设定时间；例如，将炉内温度控制在650℃，并且使工件在该温度下保温2小时。应当理解，在其他实施例中，还可以使炉内温度设置在600℃或700℃等。此外，第一设定时间可以不限于是2小时。通过该步骤，能够使工件内外温度均匀，温差小，从而减小工件的变形，并且均衡组织。

步骤s200、在步骤s100之后，将炉内温度升温至800℃-900℃以及将渗碳炉内的碳势控制在0.5％-0.7％之间，并维持第二设定时间；例如，在本实施例中，炉内温度控制在850℃以及将渗碳炉内的碳势控制在0.6％，使工件在渗碳炉内保温2小时。应当理解的是，在其他实施例中，该步骤中，渗碳炉内的温度还可以控制在800℃或900℃等，渗碳炉的碳势控制在0.5％或0.7％等。此外，第二设定时间不限于是2小时。通过该步骤，能够进一步减小工件的变形，以及在渗碳炉内建立稳定的渗碳气氛。

步骤s300、在步骤s200之后，对工件进行渗碳处理步骤。

步骤s400、在步骤s300之后，对工件进行淬火处理步骤。

本实施例中，可选的，步骤s300包括依次进行的预渗碳步骤以及循环渗碳步骤，循环渗碳步骤中的炉内最高碳势高于预渗碳步骤中的炉内最高碳势。可选的，预渗碳步骤包括：将渗碳炉的炉内温度升温至910℃-950℃以及将渗碳炉内的碳势控制在0.75％-0.95％之间，并维持第三设定时间。例如，在该步骤中，将渗碳炉的炉内温度升温至930℃，以及将渗碳炉内的碳势控制在0.8％，并且保温1小时。应当理解，在其他实施例中，在该步骤中，可以将渗碳炉的炉内温度升温至910℃或950℃等，以及将渗碳炉内的碳势控制在0.75％或0.95％等。通过该步骤，能够使渗碳炉没建立稳定的温度环境以及稳定碳势气氛。

在进行预渗碳处理后，进行循环渗碳处理，循环渗碳处理包括交替进行的强渗碳步骤和扩散步骤，也即以一次强渗碳步骤和一次扩散步骤为一个循环，并且在一个循环步骤中，强渗碳步骤始终先于扩散步骤，如此，进行多次循环以完成循环渗碳步骤。其中，多次为大于等于两次。

例如，本实施例中，预渗碳步骤后，对工件进行两次循环渗碳处理，具体的，预渗碳步骤后，先对工件进行第一次强渗碳，在此过程中，将渗碳炉内的碳势保持在1.05％，且第一次强渗碳的持续时间为16小时；在第一次强渗碳后对工件进行第一次扩散，第一次扩散时渗碳炉内的碳势保持在0.75％且第一次扩散的持续时间为6小时；在第一次扩散后对工件进行第二次强渗碳，第二次强渗碳时渗碳炉内的碳势保持在1.05％且持续时间为15小时；在第二次强渗碳后对工件进行第二次扩散，第二次扩散时渗碳炉内的碳势保持在0.75％且第二次扩散的持续时间为5小时。第二次扩散完成后，即完成了工件的循环渗碳步骤。通过采用循环式渗碳处理工艺，能够改变工件表面的碳浓度并且使碳浓度满足设定需求。

应当理解，在其他实施例中，第一次强渗碳时炉内碳势还可以是1.0％或1.1％等，第一次强渗碳的持续时间可以不限于是16小时。第二次强渗碳时炉内碳势还可以是1.0％或1.1％等，第二次强渗碳的持续时间可以不限于是15小时。第一次扩散时炉内碳势还可以是0.7％或0.8％等，第一次扩散的持续时间可以不限于是6小时；第二次扩散时炉内碳势还可以是0.7％或0.8％等，第二次扩散的持续时间可以不限于是5小时。

需要说明的是，在渗碳处理步骤后以及在淬火处理步骤前还包括依次进行的第一次冷却步骤和第二次冷却步骤，其中，第一次冷却步骤包括：控制渗碳炉内的碳势在0.7％-0.8％之间以及使炉内温度下降至830℃-860℃，并维持第五设定时间，如此，能保证工件外部温度均匀。第二次冷却步骤包括：将工件从渗碳炉内取出并置于缓冷罐中维持第六设定时间，随后再取出工件空冷至室温，如此，能够使工件组织均衡，还能够调整工件碳浓度分布以使碳浓度分布更加均匀，以及减小工件的变形。例如，本实施例中，在进行第一次冷却步骤时，使渗碳炉内的碳势保持在0.75％且冷却时间为0.5小时；在进行第二次冷却步骤时，在缓冷罐中使工件冷却4小时，随后在将工件从缓冷罐中取出并空冷至室温。应当理解，在其他实施例中，在进行第一次冷却步骤时，渗碳炉内的碳势可以保持在0.7％或0.8％，冷却时间也即第五设定时间不限于0.5小时。此外，工件处于缓冷罐中冷却的第六设定时间不限于是4小时。

本实施例中，可选的，工件冷却至室温后，将工件进行淬火处理步骤。淬火处理步骤包括：依次进行的均温步骤、升温淬火步骤和低温回火步骤。

其中，均温步骤包括：将空冷至室温的工件放置于淬火炉且将炉温控制在至630℃-660℃之间，并维持第七设定时间；其中，炉温可以控制在630℃、640℃、650℃或660℃等，第七设定时间可以是但不限于是6小时，均温步骤的目的是保证工件温度均匀防止变形，保证转变为平衡组织，防止淬火组织不良。

升温淬火步骤包括：将淬火炉的碳势控制在0.7％-0.8％之间且将炉温升温至825℃-835℃之间，并维持第八设定时间，随后保持淬火炉内的碳势且将淬火炉的温度升温至840℃-850℃之间并维持小于第八设定时间的第九设定时间；然后利用淬火油淬火。需要说明的是，可以先将淬火炉的碳势控制在0.75％且将炉温保持在830℃，第八设定时间可以是但不限于是6小时；而后，保持淬火炉内的碳势且将淬火炉的温度升温至845℃，且第九设定时间可以是但不限于是10分钟。然后，利用淬火油对工件进行1.5小时的淬火，如此，能够通过连续冷却组织转变实现强度提升和硬化效果。

低温回火步骤包括：将淬火炉的炉温降低至160℃-220℃之间进行回火并维持第十设定时间，例如，可以将淬火炉的炉温维持在210℃并且回火时间为16小时，显然，在其他实施例中，低温回火时淬火炉的炉温可以是200℃或220℃等，第十设定时间不限于是16小时。通过低温回火，能够稳定工件组织并且减少工件应力。

本实施例提供的渗碳淬火工艺具有至少如下优点：

1.将高温回火阶段与淬火升温阶段进行了合并，减少加热次数，降低变形，提高生产效率；

2.通过强渗和扩散的脉冲式循环周期可实现精确控制渗层深度，满足在低误差范围内的碳元素的均匀性和表面碳浓度的可控性。

3.淬火前短时升温，保证淬火转移过程中的零件温度，又可控制奥氏体内碳含量，标准最终组织。

以下为基于本实施例的渗碳淬火工艺的具体应用例：

渗碳淬火材料：18CrNiMo7-6，圆棒试样直径40mm；

步骤一：将表面去皮打磨光滑的试样放入炉温650℃的氮气保护的渗碳炉中保温2h，随后以10℃/min升温至850℃，冲入体积百分百为0.6％(也即碳势为0.6％)的渗碳气体，保温2h后进行下一步；

步骤二：升温至930℃、碳势上升至0.8％，保温时间1h，随后开始渗碳过程。

步骤三：碳势上升至1.05％，渗碳时间为16h，随后降低碳势至0.75％，渗碳时间为6h。

步骤四：继步骤三后，碳势再一次上升至1.05％，渗碳时间为15h，随后降低碳势至0.75％，渗碳时间为5h。

步骤五：保持碳势为0.75％随炉快速冷却至850℃后保温0.5h，随后材料出炉进缓冷罐缓冷4h，随后取出空冷至室温。

实施例检测结果：材料的表层硬度为59.09HRC；有效硬化层深度为2.66mm；渗碳之后残余奥氏体含量小于20％；表层碳化物弥散分部，渗层贝氏体含量低于5％且齿根和齿面处不存在全脱碳层。综上所示材料渗碳结果判定为合格。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。