CN104726819A - 渗碳钢的热处理渗碳工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种渗碳钢的热处理渗碳工艺，依次采用预渗碳（在800~840℃，碳势0.9~1.3，进行 1~3h），循环渗碳（910~940℃，碳势0.9~1.3，进行1~4h渗碳，后在50~140℃油中冷却，如此循环2次），扩散和淬火（910~940℃，碳势0.8~1.0，进行1~3h渗碳扩散，扩散后将温度冷却到840~890℃，碳势0.8~1.0，保温0.5~2h后，在50~140℃油中淬火冷却），回火（160~230℃，回火2~4h）。本发明增加特殊预渗碳工艺，并配合循环渗碳，使表面渗层中形成大量细小碳化物颗粒，有效把晶粒度从7级细化到9级，在满足芯部性能的基础上，大大的提高了表面的耐磨性。

Description

渗碳钢的热处理渗碳工艺
技术领域
本发明涉及金属材料热处理工艺，确切的说是渗碳钢的热处理渗碳工艺。
背景技术
由于轴承零件工作环境的特殊性，许多轴承在要求能够承受冲击载荷的同时，又对耐磨性提出了要求。
为了满足上述工况的要求，轴承需要材料（碳钢）进行渗碳热处理来实现；渗碳：是对金属表面处理的一种，使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层，从而获得表层高碳，心部仍保持原有成分。 这是金属材料常见的一种热处理工艺，它可以使渗过碳的工件表面获得很高的硬度，提高其耐磨程度。
在常规的轴承渗碳热处理中，采用20Cr等材料进行渗碳方法如图1所示，其采用直接淬火或渗碳二次淬火的热处理方式；通常情况下，轴承的心部硬度可以达到30~45HRC，能够有效满足轴承受到的冲击载荷，轴承的表面硬度为58HRC以上，其中零件表面碳化物（距离表面0.15mm内）含量为0.8%（该细小颗粒的碳化物颗粒含量直接影响轴承表面硬度和抗磨损性能），轴承表面具有良好的耐磨性。但对产品的耐磨性要求很高时，由于零件表面碳化物（距离表面0.15mm内）含量较低，则其使用性能仍然无法满足要求。
发明内容
为克服现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种满足心部低硬度高韧性的同时，在渗层处形成多而弥撒分布的细小碳化物颗粒的渗碳钢热处理渗碳工艺，有效提高渗碳钢硬度和抗磨损性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种渗碳钢的热处理渗碳工艺，按如下步骤进行：
（1）预渗碳：采用800℃~840℃，碳势0.9~1.3，进行 1~3h预渗碳；
（2）循环渗碳：采用910℃~940℃，碳势0.9~1.3，进行1~4h渗碳，然后在50℃~140℃的油中冷却；如此循环至少2次；
（3）扩散和淬火：采用910℃~940℃，碳势0.8~1.0，进行1~3h渗碳扩散；扩散后将温度冷却到840℃~890℃，碳势0.8~1.0，保温30min~2h后，在50℃~140℃的油中淬火冷却；
（4）回火：采用160℃~230℃，回火2~4h。
优选的，所述循环渗碳的循环次数为2次。
本渗碳钢的热处理渗碳工艺发明原理为：先进行预渗碳，在高碳势、低温度的渗碳环境中，碳的活度较高，更容易形核，有利于提高形核率，从而获得数目众多的预存碳化物颗粒（由预渗碳先形成的碳化物，预存碳化物颗粒作为后期渗碳时，作为新碳化物形成的核心），为循环渗碳做好准备。
然后进行循环渗碳，渗碳过程中，材料组织为奥氏体+碳化物（该碳化物主要是以预存碳化物为核心，在渗碳过程中稍微长大的碳化物，也包括材料中强碳化物形成元素与碳反应形成新的碳化物），在第一次渗碳过程中随着渗碳的进行，奥氏体中的含碳量逐渐升高，直到奥氏体中碳含量趋近于饱和；同时材料中强碳化物形成元素与碳反应形成新的碳化物。随后快冷，在快冷的过程中，奥氏体中碳的溶解度变小，形成过饱和碳，由于冷速大，奥氏体中的碳来不及析出，渗层中的碳化物就来不及长大，在渗层中的碳化物继续保持为细小颗粒。在第二次渗碳过程中，随着温度的升高，碳的扩散能力又逐渐变强，奥氏体继续增碳（在第一次渗碳的过程中，奥氏体的碳含量趋近饱和，在随后的快冷过程中，奥氏体中的碳来不及扩散，被固定在马氏体中；当第二次渗碳进行时，随着温度的升高，马氏体进行分解，析出碳化物，当温度升高到800度以上时，马氏体已经完全分解，组织开始再次奥氏体化，同时碳化物也不会完全溶解，得以在第二次渗碳再次进行过程中，奥氏体就可以再次进行增碳），同时，已有的细小颗粒碳化物部分熔解进奥氏体，新的碳化物形核，长大，又形成大量细小的颗粒碳化物，由于上次渗碳中碳化物颗粒的不完全熔解，就形成更多的碳化物颗粒，接着快速冷却，更加多的细小碳化物颗粒又被保留下来。如此多次循环渗碳有效的把晶粒度从7级细化到了9级。
循环渗碳后进行扩散和淬火，其目的是为了获得平缓的碳浓度分布（淬火后的硬度分布），减小由于渗碳热处理导致的应力。最后进行回火。
本发明的渗碳钢的热处理渗碳工艺，增加了特殊的预渗碳工艺，在高碳势、低温度的渗碳环境中，形核率高，获得数目众多的预存碳化物颗粒，增加渗层的碳含量，增加碳化物的形核率，但是又不显著增加碳化物尺寸，避免碳化物粗化；并之后配合循环渗碳，使高温中的奥氏体中的碳趋近饱和，从而使表面的细小碳化物部分熔解后，成为新的形核点，最终使表面渗层的细小碳化物逐渐增多，得到大量的细小碳化物颗粒，有效的把晶粒度从7级细化到了9级，然后经过合适的扩散、淬火和回火过程。在满足心部性能的基础上，大大的提高了表面的耐磨性。兼顾了性能和效率两个重点，采用2次循环渗碳，能够有效的提高轴承的抗磨损性能，提高经济效益。
附图说明
图1为现有渗碳钢的热处理渗碳工艺图；
图2为本发明的渗碳钢的热处理渗碳工艺图；
图3为本发明具体实施例1的工艺曲线图；
图4为本明具体实施例2的工艺曲线图；
图5为本明具体实施例3的工艺曲线图；
图6为本明工艺下获得产品与传统工艺下获得产品硬度对比图；
图7为本明工艺下获得产品与传统工艺下获得产品抗磨损性能对比图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，该领域的技术工程师可根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。选用型号为32008轴承套圈（材料为20Cr）在爱协林多用炉内进行试验；
实施例1
按图3工艺曲线图进行：
（1）预渗碳：采用830℃，碳势1.1，进行 1h预渗碳；
（2）循环渗碳：采用920℃，碳势1.1，进行3h渗碳，然后在100℃的油中冷却；之后，再采用920℃，碳势1.1，进行3h渗碳，然后在100℃的油中冷却的工艺步骤循环一次，从而完成采用2次循环的循环渗碳；
（3）扩散和淬火：采用920℃，碳势1.0，进行2h渗碳扩散，以获得平缓的碳浓度分布，减小由于渗碳热处理导致的应力；扩散后将温度冷却到860℃，碳势1.0，保温1h后，在100℃的油中淬火冷却；
（4）回火：采用180℃，回火3h。
完成后，利用剥层法，检测表面碳化物含量：表面（距离表面0.15mm内）的碳化物含量为1.6%。
实施例2
按图4工艺曲线图进行：
（1）预渗碳：采用800℃，碳势0.9，进行 2h预渗碳；
（2）循环渗碳：采用910℃，碳势0.9，进行1h渗碳，然后在50℃的油中冷却；之后，再采用910℃，碳势0.9，进行1h渗碳，然后在50℃的油中冷却的工艺步骤循环一次，从而完成采用2次循环的循环渗碳；
（3）扩散和淬火：采用910℃，碳势1.0，进行2h渗碳扩散，以获得平缓的碳浓度分布，减小由于渗碳热处理导致的应力；扩散后将温度冷却到860℃，碳势1.0，保温1h后，在100℃的油中淬火冷却；
（4）回火：采用180℃，回火3h。
完成后，利用剥层法，检测表面碳化物含量：表面（距离表面0.15mm内）的碳化物含量为1.6%~1.8%。
实施例3
按图5工艺曲线图进行：
（1）预渗碳：采用840℃，碳势1.3，进行 3h预渗碳；
（2）循环渗碳：采用940℃，碳势1.3，进行4h渗碳，然后在130℃的油中冷却；之后，再采用940℃，碳势1.3，进行4h渗碳，然后在130℃的油中冷却的工艺步骤循环一次，从而完成采用2次循环的循环渗碳；
（3）扩散和淬火：采用940℃，碳势1.0，进行2h渗碳扩散，以获得平缓的碳浓度分布，减小由于渗碳热处理导致的应力；扩散后将温度冷却到900℃，碳势0.8，保温1h后，在100℃的油中淬火冷却；
（4）回火：采用180℃，回火3h。
完成后，利用剥层法，检测表面碳化物含量：表面（距离表面0.15mm内）的碳化物含量为1.6%~1.8%。
对比实验，选用型号为32008轴承套圈（材料为20Cr）按照传统工艺获得产品，进行剥层法，检测表面碳化物含量：表面（0.15mm内）的碳化物含量为0.6%~0.8%。
经过对比可知，采用新工艺下获得的产品表面（距离表面0.15mm内）的碳化物含量远远大于传统工艺下的（距离表面0.15mm内）碳化物含量。
选用本发明工艺获得的产品以及对比实验中获得产品进行抗磨损性能和硬度测量，实验结果如图6和图7所示；按照标准JB/T50013-2000《滚动轴承  疲劳寿命试验规程》要求进行强化疲劳寿命试验，评定方法采用JB/T50093-1997《滚动轴承  寿命及可靠性试验评定方法》试验结果显示，本发明工艺的轴承寿命是常规工艺轴承寿命的1.5倍。
综上可知，本发明工艺下获得产品在硬度和抗磨损能力上都明显优于常规渗碳热处理，有效提高轴承的工作可靠性和使用寿命。

Claims (2)

1.一种渗碳钢的热处理渗碳工艺，按如下步骤进行：
（1）预渗碳：采用800℃~840℃，碳势0.9~1.3，进行 1~3h预渗碳；
（2）循环渗碳：采用910℃~940℃，碳势0.9~1.3，进行1~4h渗碳，然后在50℃~140℃的油中冷却；如此循环至少2次；
（3）扩散和淬火：采用910℃~940℃，碳势0.8~1.0，进行1~3h渗碳扩散；扩散后将温度冷却到840℃~890℃，碳势0.8~1.0，保温30min~2h后，在50℃~140℃的油中淬火冷却；
（4）回火：采用160℃~230℃，回火2~4h。
2.根据权利要求1所述渗碳钢的热处理渗碳工艺，其特征在于：所述循环渗碳步骤循环次数为2次。
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