一种低碳合金钢渗碳件弥散碳化物制备工艺的制作方法

1.本发明属于弥散碳化物的制备领域，具体涉及一种低碳合金钢渗碳件弥散碳化物制备工艺。


背景技术：

2.近几十年来变速箱渗碳齿轮钢的热处理工艺为：渗碳淬火清洗回火，该工艺所得表层金相组织为针状马氏体和残余奥氏体，如图1和图2所示，难以满足更大扭矩、长寿命、抗疲劳的要求。
3.弥散碳化物的制备工艺有太原理工大学石巨岩团队的超饱和渗碳工艺，该工艺方法采用循环渗碳淬火的工艺，渗碳后往复进行3次淬火，可以获得弥散碳化物，但在热处理领域，工件的变形作为热处理控制的一个难点，多次淬火导致热处理变形更为复杂，控制难度大，因此该工艺无法用于生产实践。类似工艺中常州天山重工机械有限公司的发明《一种渗碳件表面高硬度碳化物的渗碳淬火方法》，该工艺渗碳时间较长，强渗时间达到27～29小时，双段扩散15～17小时，且该工艺过程中包含高温回火，回火后再出炉缓冷，工艺复杂且周期较长，整个工艺周期长达60余小时，不适用于汽车变速箱零件。
4.现阶段尚无生产可行的在汽车齿轮表面析出弥散碳化物的工艺方法。


技术实现要素：

5.针对现有常规渗碳淬火工艺存在难以满足齿轮钢大扭矩、长寿命、抗疲劳的问题和现有弥散碳化物制备工艺无法在实际生产中得以应用的问题，本发明提供一种低碳合金钢渗碳件弥散碳化物制备工艺，可大幅提高重载齿轮的疲劳寿命，且该工艺可应用于批量生产。
6.本发明是通过以下技术方案来实现：
7.一种低碳合金钢渗碳件弥散碳化物制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
8.s1：将待渗碳零件放置于渗碳炉内，控制渗碳炉温度为a
c3
80-140℃，碳势为1.0-1.35％，渗碳4-8小时，得到表面碳原子高含量零件；
9.s2：将炉温缓慢降温至780-860℃，碳势降低，得到具有一定的渗碳化学深层零件；
10.s3：将具有一定的渗碳化学深层零件转移至冷却室，在保护气氛下冷却，得到表层一定深度范围内析出沿晶界分布的细条状碳化物；
11.s4：将冷却后的零件置于渗碳炉内加热，并调整渗碳炉温度为760-840℃，碳势再次降低至表面不脱碳，细条状碳化物溶解和再析出达到动态平衡，得到表面含弥散分布的短杆状或颗粒状碳化物的零件；
12.s5：将表面含弥散分布的短杆状或颗粒碳化物的零件淬火，并进行回火，得到含弥散碳化物零件。
13.进一步，所述s1中的渗碳炉温度为900-930℃，碳势为1.0-1.35％。
14.进一步，所述s2中的碳势降低至0.7-1.0％。
15.进一步，所述s3中的冷却时间为0.5-2小时。
16.进一步，所述s4中的保温时间为1-4小时。
17.进一步，所述s4中的碳势降低至0.7-0.9％。
18.进一步，所述s5中的回火温度为140-200℃。
19.进一步，所述s5的回火时间为2-5小时。
20.进一步，所述s5中的淬火为油淬或聚合物淬火。
21.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
22.本发明提供一种低碳合金钢渗碳件弥散碳化物制备工艺，通过对合金零件的渗碳、空冷、二次加热、淬火和回火的工序步骤，能够得到表面含大量弥散碳化物的零件，其尺寸范围在0.1-1.5μm，且分布弥散；其次，本工艺的用时与常规渗碳淬火零件时间接近，没有增加工序中的成本，工艺过程简单，单次装炉即可实现弥散碳化物的析出，无需高温回火等中间辅助工艺，便于生产推广；同时，整个工艺过程仅淬火一次，对于高精度的零件，热处理畸变可控。
附图说明
23.图1为常规渗碳淬火后零件金相组织图；
24.图2为常规渗碳淬火后零件扫描图片；
25.图3为采用本发明工艺后零件金相组织图；
26.图4为采用本发明工艺后零件扫描图；
27.图5为本发明具体实施例中零件金相组织图；
28.图6为本发明具体实施例中零件金相组织图。
具体实施方式
29.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
30.本发明提供一种低碳合金钢渗碳件弥散碳化物制备工艺，包括以下步骤：
31.s1：将待渗碳零件放置渗碳炉内，控制渗碳炉温度为a
c3
80-140℃，碳势为1.0-1.35％，渗碳4-8小时，进而提高零件表面碳原子的含量，得到表面碳原子高含量零件；
32.s2：将表面碳原子高含量零件的炉温缓慢降温至780-860℃，碳势降低，得到具有一定渗碳化学深层零件；具体的，该阶段碳原子往内层扩散，提高渗碳的化学层深，降低表面的碳原子浓度；
33.s3：缓慢降低环境温度，在保护气氛下冷却s2所得零件，使得表层一定深度范围内析出细条状碳化物；优选的，可以将此阶段的加工零件移至多用炉前室内，前室通入保护气氛进行缓慢降温，进而能够避免与外界空气接触而产生氧化等化学反应，避免对零件产生不利影响。
34.s4：将冷却后的零件置于渗碳炉内加热到760-840℃，保温一定时间，碳势再次降低至表面不脱碳，得到表面为弥散分布的短杆状或颗粒状的弥散碳化物零件；具体的，加热炉内温度不得超过a
c3
60℃，防止晶内碳化物溶解，同时，上一步s3析出的碳化物局部溶解再析出并重新分配，由细条状转化为点状或短杆状，整体呈现弥散分布；
35.s5：将s4步骤所得零件进行淬火，并进行回火，得到含弥散碳化物零件；优选的，淬火优选为油淬，油淬的过程中，冷却相较温和，防止淬火开裂、减少变形，且能够形成合适的硬度梯度，提高零件使用寿命；进而得到如图3和图4所述的含有较多颗粒状碳化物的组织。
36.进一步的，本发明提供的一种优选实施例为，所述s1中的渗碳炉温度为900-930℃。
37.进一步的，本发明提供的一种优选实施例为，所述s1中的碳势保持为1.0-1.35％
38.进一步的，本发明提供的另一种优选实施例为，所述s2中的碳势降低至0.7-1.0％。
39.进一步的，本发明提供的另一种优选实施例为，所述s3中的冷却时间为0.5-2小时。
40.进一步的，本发明提供的另一种优选实施例为，所述s4中的保温时间为1-4小时。
41.进一步的，本发明提供的另一种优选实施例为，所述s4中的温度调整至760-840℃。进一步的，本发明提供的另一种优选实施例为，所述s4中的碳势降低至0.7-0.9％。
42.进一步的，本发明提供的另一种优选实施例为，所述s5中的回火温度为140-200℃。
43.进一步的，本发明提供的另一种优选实施例为，所述s5的回火时间为3小时。
44.本发明提供的一种优选实施例1为：
45.对采用材料为20mncr5的齿轮零件进行加工；
46.s1：将待渗碳零件防止渗碳炉内，控制渗碳炉温度为900℃，碳势为1.0％，渗碳4小时，得到表面碳原子高含量零件；
47.s2：将表面碳原子高含量零件的炉温缓慢降温至780℃，碳势降低至0.75％，保温0.5小时，得到表面含碳量略有下降，具有一定化学层深的零件；
48.s3：缓慢降低环境温度，在保护气氛下冷却，例如氮气保护下冷却0.5小时，表层一定深度范围内析出细条状碳化物；
49.s4：将冷却后的零件置于渗碳炉内保温，并调整渗碳炉温度为760℃，碳势为0.75％，保温2.5小时，细条状碳化物局部溶解，并在晶界周围重新形核再析出，表面碳化物由细条状转变为短杆状或颗粒状；
50.s5：，将s4所得零件进行油淬20分钟，并在回火炉中160℃的环境下，回火3小时，得到含弥散碳化物零件，如图5和图6所示，得到的零件表面的小尺寸颗粒直径为0.2-0.4μm，大尺寸的颗粒在0.5-1.2μm，且分布弥散。经过硝酸酒精深腐蚀后在金相显微镜下弥散碳化物轮廓清晰、呈亮白色、具有浮凸感。
51.本发明提供的一种优选实施例2为：
52.对采用材料为20mncr5的齿轮零件进行加工；
53.s1：将待渗碳零件放置在渗碳炉内，控制渗碳炉温度为915℃，碳势为1.15％，渗碳6小时，得到表面碳原子高含量零件；
54.s2：将炉温缓慢降温至820℃，碳势降低至0.8％，保温1小时，得到表面含碳量略有下降，具有一定化学层深的零件；
55.s3：缓慢降低环境温度，在保护气氛下冷却，例如氮气中冷却2小时，表层一定深度范围内析出细条状碳化物；
56.s4：将冷却后的零件置于渗碳炉内保温，并调整渗碳炉温度为760℃，碳势为0.8％，保温2.5小时，细条状碳化物局部溶解，并在晶界周围重新形核再析出，表面碳化物由细条状转变为弥散分布的短杆状或颗粒状；s5：将表面含弥散分布的短杆状或颗粒状弥散碳化物的零件，进行油淬20分钟，并在回火炉中160℃回火3小时，得到含弥散碳化物零件，如图5和图6所示，得到的小尺寸碳化物颗粒直径为0.1-0.3μm，大尺寸的颗粒直径0.6-1.0μm，且分布弥散。经过硝酸酒精深腐蚀后在金相显微镜下弥散碳化物轮廓清晰、呈亮白色、具有浮凸感。
57.本发明提供的一种优选实施例3为：
58.对采用材料为20crmnti的齿轮零件进行加工；
59.s1：将待渗碳零件放置在渗碳炉内，控制渗碳炉温度为925℃，碳势为1.35％，渗碳8小时，得到表面碳原子高含量零件；
60.s2：将炉温缓慢降温至860℃，碳势降低至0.85％，保温2小时，得到表面含碳量略有下降，具有一定化学层深的零件；
61.s3：缓慢降低环境温度，在保护气氛下冷却，例如氮气中冷却2小时，表层一定深度范围内析出碳化物；
62.s4：将冷却后的零件置于渗碳炉内保温，并调整渗碳炉温度为780℃，碳势为0.9％，保温2.5小时，细条状碳化物局部溶解，并在晶界周围重新形核再析出，表面碳化物由细条状转变为弥散分布的短杆状或颗粒状；s5：将s4所得零件进行油淬20分钟，并在回火炉中160℃的环境下，回火3小时，得到表面含弥散碳化物零件，如图5和图6所示，小尺寸碳化物颗粒直径为0.2-0.4μm，大尺寸的颗粒直径在0.6-1.1μm，且分布弥散。经过硝酸酒精深腐蚀后在金相显微镜下弥散碳化物轮廓清晰、呈亮白色、具有浮凸感。