一种气液复合淬火方法

技术领域

本发明涉及真空低压渗碳领域，尤其涉及一种在真空低压渗碳过程中高效率小变形的气液复合淬火方法。

背景技术

长期以来，轴承、轴、齿轮等精密零件的热处理工艺及组织、性能、尺寸精度的控制都是难点问题，同时也是研究热点问题。这些零件通常是机械设备尤其是高端装备中的关键构件，普遍要求具有良好的综合力学性能。这就要求这些零件经加工成形后，必须经过淬火+回火的最终热处理。工件的变形主要发生在淬火过程中，由淬火过程中的热应力和组织应力导致。实现淬火过程中工件“零畸变”一直是热处理的目标之一。为此，必须不断优化工艺。

真空低压渗碳技术是一种清洁、环境友好的渗碳技术。与气氛渗碳相比，由于工件处于真空环境下，能够避免表面氧化的发生，因此可以采用更高的渗碳温度。高的渗碳温度使得碳原子在工件内的扩散系数大幅度提高，在相同的渗层深度指标下能有效缩短工艺时间。这种效率的提高在生产实践中具有重大的技术价值和经济价值。

在真空低压渗碳中，由于渗碳温度较高，无法在渗碳结束后直接油淬，否则工件会有较大变形甚至开裂，淬火油的冷却能力也可能受到影响。现有工艺一般是将工件的温度从渗碳温度(930～980℃)降低到钢的Ac1温度以上30～50℃并保温一段时间，使工作达到均温再淬火。这个工艺过程对工件的组织不起到明显的调节作用，仅作为淬火的前置步骤，以减小热应力。但真空加热设备中主要靠辐射换热，且保温性较好，导致样品随炉降温和保温至均温两个过程时间较长，降低了真空低压渗碳设备在效率上的优越性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种在真空低压渗碳过程中的气液复合淬火方法，使得淬火过程能够在保证工件性能和减小变形的前提下，缩短工艺周期，提高效率。

本发明具体采用以下技术方案：

一种气液复合淬火方法，包括加热保温阶段、渗碳阶段、气淬阶段、油淬阶段；

所述加热保温阶段，是将工件温度从一定温度升高至渗碳温度；

所述渗碳阶段为一般性的真空低压渗碳过程，是在工件表层达到一定的碳浓度，所述碳浓度高于基体；

所述气淬阶段包括：在工件处于渗碳温度时，直接在热处理室内充入压力为0.5～6bar的冷却气体，使工件表层快速冷却至600～850℃的温度范围内，冷速高于珠光体转变的临界冷速，但小于油淬的冷速；

所述油淬阶段包括：在气淬阶段后直接入油，使工件表层完成马氏体转变。减小渗碳淬火变形。

优选的，在所述加热保温阶段中，根据工件材质及尺寸确定加热过程是否分段，设定各段的加热温度、加热时间、保温时间。

优选的，所述渗碳阶段通过渗碳周期和扩散周期交替的脉冲式进行，渗碳周期和扩散周期交替进行的次数及每次的持续时间根据所需的有效硬化层深度或碳浓度梯度曲线确定。

优选的，渗碳温度为750至980℃，渗碳压力为800至5000Pa，渗碳周期总时间和扩散周期总时间的比率为1：2至1:7，渗碳阶段的持续时间≥30分钟，表面含碳量数值可以设定为0.8％至2.0％。

优选的，所述冷却气体为氮气、氩气或氦气。

气液复合淬火主要用于工件渗碳后的淬火过程，使用工件发生相变，从而大幅度提高工件性能。相比现有的渗碳-淬火工艺中将工件的温度从渗碳温度(930～980℃)降低到Ac1以上30～50℃并保温一段时间再淬火的技术方案，本发明采用“减量式”的工艺思路，提出从渗碳温度直接充气预冷至600～850℃，充分发挥气淬的优势，避免冷速过大导致工件变形，同时避免冷速过小使得工件发生珠光体转变，再直接入油淬火。本发明实现了高效率小变形的真空渗碳，减少了现有渗碳-淬火工艺中淬火前的保温阶段，同时利用气淬过程适中的冷速，在保证工件淬火成马氏体的前题下，减小了工件的变形，并缩短了工艺周期，使渗碳效率提高10％以上，减少了生产单位产品的能耗。气液复合淬火结合气淬和油淬的优点，解决了传统气淬在低温段淬火能力不足、无法处理淬透性差材料的难题。同时，气液复合淬火在高温段采用气淬，仅在低温段使用油淬，能够减少淬火油的使用量、延长淬火油的使用寿命，降低生产成本。因此，相比于传统的油淬，本发明中的气液复合淬火方法技术优势明显，经济效益更高，符合“低碳”发展趋势，是一种低能耗、绿色、环保的淬火技术。

附图说明

本发明有如下附图：

图1为实施例一本发明中的真空低压渗碳气液复合淬火工艺曲线；

图2(a)为实施例一本发明中的气液复合淬火工艺处理后工件表面金相组织照片；

图2(b)为实施例一本发明中的气液复合淬火工艺处理后工件心部金相组织照片；

图3为通常的渗碳-淬火工艺曲线；

图4为实施例一中18CrNiMo7-6主轴的不同位置的渗层硬度分布；

图5为实施例一中18CrNiMo7-6主轴的相同工艺不同零件相同位置的表面硬度；

图6为实施例一中18CrNiMo7-6主轴的相同工艺不同零件的渗层深度；

图7为实施例一中18CrNiMo7-6主轴的相同工艺不同零件相同位置的变形量；

图8为实施例一本发明中的气液复合淬火工艺中的渗碳和扩散具体时间。

具体实施方式

下面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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明获得的一种气液复合淬火方法，包括加热保温阶段、渗碳阶段、气淬阶段、油淬阶段。

所述加热保温阶段，其目的是将工件温度从一定温度(如室温)升高至渗碳温度。可以根据工件材质及尺寸确定加热过程是否分段，设定各段的加热温度、加热时间、保温时间。

所述渗碳阶段也可以通过渗碳周期和扩散周期交替的脉冲式进行，渗碳和扩散阶段的温度为750～980℃，渗碳压力为800～5000Pa，先进行渗碳周期，然后在相同温度下，停止渗碳气体通入，进行扩散周期。渗碳周期总时间和扩散周期总时间的比率为1:2至1:7，表面含碳量数值可以设定为0.8％至2.0％。在所述真空低压渗碳中，可以选择乙炔或丙烷气氛为渗碳气体。所述渗碳阶段的持续时间≥30分钟。

所述气淬阶段包括：在工件处于渗碳温度时，直接在热处理室内充入一定压力的冷却气体，使工件表层快速冷却至600～850℃的温度范围内，冷速高于珠光体转变的临界冷速，但小于油淬的冷速。在所述气淬阶段中，在渗碳室充入冷却气体的压力为0.5bar～6bar。在所述气淬阶段中，充入渗碳室的气体可选择氮气、氩气或氦气。

所述气淬阶段，可以在通过在加热室直接充气实现，也可以先将工件由加热室转移至气淬室再充气实现。

所述油淬阶段包括：在气淬阶段后直接入油，使工件表层完成马氏体转变。

为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的进行详细描述。

实施例一：

零件和材料：18CrNiMo7-6重载商用车主轴。

技术要求：渗碳层0.84～1.34mm，表面硬度58～63HRC，心部硬度35～42HRC，不允许出现连续或断续、大块状碳化物；

一种高效率小变形的真空气液复合淬火方法，它是按照以下步骤进行的：

一、加热保温阶段：在10分钟内将工件加热至600℃，保温20分钟，然后加热至后续脉冲渗碳阶段所需的930℃，在该温度下保温20分钟；

二、渗碳阶段：在930℃下，交替进行强渗和扩散阶段。强渗阶段：通入渗碳气体乙炔，在渗碳压力1000Pa下强渗；扩散阶段：停止通入渗碳气体，抽至真空状态，在相同温度下扩散。强渗阶段和扩散阶段的时间根据真空低压渗碳工艺软件计算。

三、气淬阶段：向炉中充入0.8bar氮气并使用风机强制循环，使工件表面快速冷却至650℃，冷速高于马氏体转变的临界冷速。

四、油淬阶段：气淬阶段结束后，工件立刻入油。

结果分析：

如图1所示，为实施例1中发明的真空渗碳工艺曲线，在渗碳温度直接气淬。气淬阶段冷速较小，油淬阶段冷速较大。通过与图3所示的现有工艺曲线进行对比，可以看出在去除了淬火前的保温阶段后，工艺周期缩短，效率提高了11.2％。

渗碳后的表面和心部的金相组织如图2所示，其中表面组织中无连续或断续、大块状碳化物，碳化物级别为2级，心部组织级别为2级，满足强韧性组织要求。

同一炉中不同工件的渗层硬度曲线、齿顶及齿槽硬度与渗层深度分别如图3、图4和图5所示。从零件表面到维氏硬度值为550HV1处的垂直距离视为渗碳层深度。5个齿形齿顶及齿槽的硬度-深度分布曲线过渡平滑，有效硬化层深度平均值为1.25mm，符合渗层深度技术指标要求，且齿顶和齿槽各自层深波动范围在±0.05mm之间，渗层均匀性良好。

图7为同一炉中不同工件的变形率。变形率是表征工件在淬火后变形的重要指标。在本发明中，其计算方法如下：假设齿轮淬火前冷态下跨棒距为，淬火后冷态下跨棒距为，则变形率为。由图7可以看出工件的变形率小于0.1％，实现了气液复合淬火工艺的小变形预期目标。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。