CN102277581B - 一种低碳合金材料热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低碳合金材料热处理工艺，包括碳氮共渗处理、淬火处理、深冷处理和回火处理。本发明工艺处理后的低碳合金材料特别是12Cr2Ni4合金材料可以得到表面的较高硬度和心部的强韧性，在保持工件内部具有较高韧性的条件下，得到高硬度、高强度的表面层，以提高工件的耐磨性和强度，其使用寿命与表面层的韧性以及表面层和心部的强韧性良好配合有着密切的关系。采用深冷处理后可以很好的延长了使用寿命，提高了基体硬度和强度。
Description
技术领域
本发明属于金属材料的热处理工艺技术领域，尤其属于低碳合金材料热处理工艺。
背景技术
热处理工艺通常技术包括碳氮共渗、淬火、深冷处理和回火等工艺技术方法，特别是近来发展的深冷处理对材料的处理后各特性有了进一步的提高。当金属在热处理加硬至冷却过程中，其中的合金与碳产生溶解并结合及扩散形成奥氏体(Austenite)，在冷却过程时，由于低温产生压制而形成马氏体(Martensite)，而由于马氏体的最终转变点(Mf)非常低，因此淬火冷却到室温会残留大量奥氏体，因而降低金属的硬度、耐磨性和使用寿命，同时因为奥氏体的高脆性而容易造成金属碎裂，再者，还有许多物理性能特别是热性能和磁性下降。
由于奥氏体在低温环境下非常不稳固及分解，使原来的缺陷微孔及内应力集中的部份产生塑性流动而变成组织细化，因此只要将金属置于超低温环境下，其中的奥氏体会转化成马氏体，内应力因而消除。在超低温时由于组织体积收缩，Fe晶格常数缩细而加强碳原子析出的驱动力，于是马氏体的基体析出大量超微细碳化物，这些超微细结晶体会使物料的强度提高，同时增加耐磨性与刚性。
另一种处理方式碳氮共渗也是目前一种重要的处理方式：碳氮共渗是向钢的表层同时渗入碳和氮的过程，习惯上碳氮共渗又称作氰化。目前以中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗(即气体软氮化)应用较是广。中温气体碳氮共渗的主要目的是提高钢的硬度，耐磨性和疲劳强度，低温气体碳氮共渗以渗氮为主，其主要目的是提高钢的耐磨性和抗咬合性。
以渗碳为主同时渗入氮的化学热处理工艺在一定程度上克服了渗氮层硬度虽高但渗层较浅，而渗碳层虽硬化深度大，但表面硬度较低的缺点。应用较广泛的只有气体法和盐浴法。气体碳氮共渗介质是渗碳剂和渗氮剂的混合气，例如滴煤油或乙醇、丙酮、通氨；吸热或放热型气体中酌加高碳势富化气并通氨；三乙醇胺或溶入尿素的醇连续滴注。碳氮共渗并淬火、回火后的组织为含氮马氏体、碳氮化合物和残余奥氏体。
在铆接器用低碳合金材料特别是12Cr2Ni4材料的处理技术中，还没有***完整综合的处理技术方案，材料处理的结果也不能达到满意的要求，以往12Cr2Ni4的铆接器采用碳氮共渗后淬火加回火的热处理工艺，可以得到表面的较高硬度和心部的强韧性，在保持工件内部具有较高韧性的条件下，得到高硬度、高强度的表面层，以提高工件的耐磨性和强度，但其使用寿命还与表面层的韧性以及表面层和心部的强韧性良好配合有着密切的关系。目前还没有满意的***热处理技术。
发明内容
本发明根据现有技术的不足公开了一种低碳合金材料热处理工艺，本发明要解决的问题是提供一种低碳合金材料热处理工艺，特别是铆接器用12Cr2Ni4部件的热处理工艺，以提高碳氮共渗强韧化复合处理结果，大大地提高铆接器部件的使用寿命。
本发明通过以下技术方案实现：
低碳合金材料热处理工艺，包括碳氮共渗处理、淬火处理、深冷处理和回火处理，其中：
碳氮共渗，处理工件在850℃～870℃条件下，以180～200滴/每分钟的速度滴加无水甲醇，稳定持续60～90分钟后，以120～140滴/每分钟的速度滴加煤油同时以240～280毫升/分钟通入浓度99.99％氨气60～90分钟，然后以70～90滴/每分钟的速度滴加煤油同时以160～200毫升/分钟通入浓度99.99％氨气150～180分钟后；降温至660℃～720℃，以60～90滴/每分钟的速度滴加无水甲醇同时以80～120毫升/分钟通入浓度99.99％氨气90～120分钟至常温；
淬火，将碳氮共渗处理后工件油淬，油淬温度830℃～850℃，保温35～60分钟，冷却；
深冷处理，将淬火处理后工件深冷处理，处理介质液氮，温度-150℃～-160℃，持续3～24小时，然后取出放在室温下，待温度回复到室温；
回火，将深冷处理后工件回火处理，在190℃～210℃，保温120分钟，空气中冷却。
所述深冷处理从室温开始，冷却速度是15℃～20℃/小时。淬火冷却7～10分钟后直接进行深冷处理。
所述低碳合金材料是12Cr2Ni4合金材料。12Cr2Ni4特性及适用范围：12Cr2Ni4强度高、韧性好、淬透性良好，渗碳淬火后表面层硬度及耐磨性都好，冷变形时塑性好，切削性尚好，用作高负荷、交变应力下工作的大型渗碳件，如受高负荷的各种齿轮、蜗轮、蜗杆、轴等机械；其化学成份主要是：碳C：0.13，硅Si：0.29，锰Mn：0.41，硫S：0.008，磷P：0.004，铬Cr：1.34，镍Ni：3.35，铜Cu：0.04，钛Ti：0.01，钒V：0.01，钼Mo：0.01；12Cr2Ni4力学性能：抗拉强度σb(MPa)：1200，屈服强度σs(MPa)：990，伸长率65(％)：16，断面收缩率ψ(％)：58，冲击功Akv(J)：78，硬度：243HB 245HB 245HB。
采用本发明工艺处理后的低碳合金材料特别是12Cr2Ni4合金材料具有以下优点：
1、硬度：表面层硬度提高了2-4HRC；心部提高了1.5-4.2HRC。
2、冲击功：提高了50-80％。
3、弯曲性能：显著提高。
4、表面层组织中残余奥氏体含量减少，马氏体和碳化物增多，且碳化物细小弥散均匀分布，从而提高了强韧性。心部组织中残余奥氏体含量有所减少，相应马氏体增多，从而提高了基体硬度和强度。
5、使用寿命延长50％-70％。普通工艺处理相同材料平均使用次数大概2万次，本发明工艺改进后使用次数在2.9万到3.5万次左右。
综上所述，本发明工艺处理后的低碳合金材料特别是12Cr2Ni4合金材料可以得到表面的较高硬度和心部的强韧性，在保持工件内部具有较高韧性的条件下，得到高硬度、高强度的表面层，以提高工件的耐磨性和强度，其使用寿命与表面层的韧性以及表面层和心部的强韧性良好配合有着密切的关系。采用深冷处理后可以很好的延长了使用寿命，提高了基体硬度和强度。
附图说明
图1是通过本发明工艺处理的12Cr2Ni4合金材料表面层组织显微放大照片。
图2是通过本发明工艺处理的12Cr2Ni4合金材料心部组织显微放大照片。
图3是传统工艺处理比较例的12Cr2Ni4合金材料表面层组织显微放大照片。
图4是传统工艺处理比较例的12Cr2Ni4合金材料心部组织显微放大照片。
图5是本发明碳氮共渗工艺流程条件参数表。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进一步说明，具体实施方式是对本发明原理的进一步说明，不以任何方式限制本发明，与本发明相同或类似技术均没有超出本发明保护的范围。
实施例1
本例采用本发明热处理工艺。
材料准备，取12Cr2Ni4合金材料制成的铆接器，清除表面杂物。
热处理，将上述12Cr2Ni4合金材料制成的铆接器按下列步骤处理，
1、碳氮共渗，处理工件在850℃～870℃条件下，以180～200滴/每分钟的速度滴加无水甲醇，稳定持续60～90分钟后，以120～140滴/每分钟的速度滴加煤油同时以240～280毫升/分钟通入浓度99.99％氨气60～90分钟，然后以70～90滴/每分钟的速度滴加煤油同时以160～200毫升/分钟通入浓度99.99％氨气150～180分钟后；降温至660℃～720℃，以60～90滴/每分钟的速度滴加无水甲醇同时以80～120毫升/分钟通入浓度99.99％氨气90～120分钟至常温；所述碳氮共渗本领域可用图5所示表示：
2、淬火，将碳氮共渗处理后工件油淬，油淬温度830℃～850℃，保温35～60分钟，冷却；
3、深冷处理，将淬火处理后工件深冷处理，处理介质液氮，温度-150℃～-160℃，持续3～24小时；
4、回火，将深冷处理后工件回火处理，在190℃～210℃，保温120分钟，空气中冷却。
在深冷处理时可按从室温开始，冷却速度以15℃-20℃/小时进行。
处理后进行相关检测。
比较例
选取与实施例1相同的材料件按传统方法进行热处理，具体步骤是：1、碳氮共渗；2、淬火；3、回火。各步骤条件可采用常用条件，为了比较，本例碳氮共渗、淬火和回火采用与实施例1相同的条件。
处理后进行相关检测。
比较结果如下：
硬度HRC：(见表1)
表1.两种处理工艺的硬度值数据
冲击韧性：(见表2)
表2.两种处理工艺的冲击功数据
弯曲强度：(见表3)
本研究中弯曲测试试样为矩形，由材料加工成弯曲试样，再对各试样进行碳氮共渗热处理，然后进行以上两种工艺处理后再进行弯曲测试。弯曲测试时，将矩形试样放置在跨距Ls＝80mm的支座上进行三点弯曲加载。
表3.两种处理工艺的弯曲强度数据
结合对比本发明例与比较例的显微放大照片，可以知道，本发明处理后的12Cr2Ni4合金材料硬度：表面层硬度提高了2-4HRC；心部提高了1.5-4.2HRC。冲击功提高了50-80％。弯曲性能显著提高。表面层组织中残余奥氏体含量减少，马氏体和碳化物增多，且碳化物细小弥散均匀分布，从而提高了强韧性。心部组织中残余奥氏体含量有所减少，相应马氏体增多，从而提高了基体硬度和强度。
使用寿命延长50％-70％。原有工艺内外套平均使用次数大概2万次，经过工艺改进后使用次数在2.9万到3.5万次左右。
Claims (2)
1.一种低碳合金材料热处理工艺，所述低碳合金材料是12Cr2Ni4合金材料，包括碳氮共渗处理、淬火处理、深冷处理和回火处理，其特征在于：
碳氮共渗，处理工件在850℃～870℃条件下，以180～200滴/每分钟的速度滴加无水甲醇，稳定持续60～90分钟后，以120～140滴/每分钟的速度滴加煤油同时以240～280毫升/分钟通入浓度99.99%氨气60～90分钟，然后以70～90滴/每分钟的速度滴加煤油同时以160～200毫升/分钟通入浓度99.99%氨气150～180分钟后；降温至660℃～720℃，以60～90滴/每分钟的速度滴加无水甲醇同时以80～120毫升/分钟通入浓度99.99%氨气90～120分钟至常温；
淬火，将碳氮共渗处理后工件油淬，油淬温度830℃～850℃，保温35～60分钟，冷却；
深冷处理，将淬火处理后工件深冷处理，处理介质液氮，温度-150℃～-160℃，持续3～24小时，然后取出放在室温下，待温度回复到室温；
回火，将深冷处理后工件回火处理，在190℃～210℃，保温120分钟，空气中冷却即成。
2.根据权利要求1所述的低碳合金材料热处理工艺，其特征在于：所述深冷处理从室温开始，冷却速度是15℃～20℃/小时。
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