CN110541141A - 渗碳直顶杆产品加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及渗碳直顶杆产品加工方法，本发明首先对合金钢原材料进行表面渗碳处理工艺，其次将渗碳合金钢热处理加工，最后进行渗碳合金钢顶杆加工得到高韧性、高硬度且均匀、低不良率的直顶杆。该方法简单易推广，有效降低成本，解决了目前渗氮层硬度虽高但渗层较浅，氮化硬度不均匀、产品弯曲畸变的现象。

Description

渗碳直顶杆产品加工方法
技术领域
本发明重点涉及直顶杆产品全新的一种生产工艺，主要是一种能提产品原材料，特别是合金工具钢的表面韧性、硬度，进而提高直顶杆产品耐磨程度、抗疲劳性的加工方法。
背景技术
目前市场上传统的模具直顶杆主要有两种形式：一种是采用普通的表面并无任何处理的合金工具钢作为原材料制成，此种材料制成的模具直顶杆在表面硬度、耐磨性、疲劳强度、抗咬合性等方面都存在较大的缺陷，很难达到模具使用的要求，抗大气和过热蒸汽腐蚀能力、抗回火软化能力也很差，缺口敏感性较高，在模具直顶杆中属于较低档的产品。
另一种是在上述产品的基础上增加了渗氮这一工艺，在普通的合金工具钢原材料表面做渗氮处理，此工艺确实解决了表面硬度、耐磨性、疲劳强度、抗咬合性差的问题，也提高了抗大气和过热蒸汽腐蚀能力、抗回火软化能力，并降低了缺口敏感性。但由于心部硬度较低，渗层也较浅，一般只能满足承受轻、中等载荷的耐磨、耐疲劳要求，其中的耐热和耐腐性也未能达到热作模具的使用效果；氮化后也发现表面氮化硬度不均，不好控制，说明氮化物并没有很好的溶解扩散到产品里面；而且氮化过程中也容易产生钢材的畸变弯曲现象，进而提高了产品不良率。
因此，本领域目前亟需一种新的加工工艺来生产一种全新的模具直顶杆，以解决目前渗氮层硬度虽高但渗层较浅，氮化硬度不均匀、产品弯曲畸变的现象。
发明内容
为弥补现有技术的不足，本发明提供了一种产品高韧性、高硬度且均匀、低不良率的直顶杆生产工艺方法。
本发明采用以下技术方案：
S1.首先对合金钢原材料进行表面渗碳处理工艺，所述合金工具钢的原材料由碳元素0.35-0.45％，硅元素0.8-1.2％，锰元素0.3-0.5％，磷元素≤0.03％，硫元素≤0.02％，铬元素5.0-5.5％，钼元素1.3-1.6％，钒元素1.0-1.25％，余量铁元素；
S2.将渗碳合金钢热处理加工；
S3.渗碳合金钢顶杆加工
S3.1氮化：对渗碳合金钢的表面清洗，洗好的直条渗碳合金钢在两小时内装炉，高度不能超过排气管的高度；开始升温，升温1.5h后升到420±10℃，通入氨气，氨气流量控制在2-3MPa/小时，继续升温，通入0.5-1h后温度升到530±10℃，将氨气增加到3-4MPa/小时，进入保温状态，保温2-2.5h后再将氨气减少到1.5MPa/小时并再保温3-4h后关闭氨气，降温至300℃以下出炉；
S3.2将直条渗碳合金钢切成相应规格的短杆后，依次进行精磨、鐓头、头部成型和抛光工艺。
更进一步的，所述的步骤S1中，包括以下具体步骤：
S1.1把炉温升到800±10℃，将待处理的盘圆合金工具钢原材料置于渗碳周期炉内，关闭炉盖升温到930±10℃，在升温过程中，以每分钟160滴的速度将煤油滴入炉内，同时排气，排气时间一般为60～80分钟；
S1.2判断强渗时间点，强渗时加大煤油的滴量，按每分钟180～200滴，在强渗时放入试棒，渗碳速度为0.15～0.2mm/h，试棒上渗层深度达到二分之一时，在强渗结束就可以进行下一扩散期；
S1.3扩散期时温度保持不变，减少煤油滴量，按每分钟100滴，扩散时间为60～90分钟；
S1.4扩散期结束开始降温，降温到810±10℃，并在此温度保温10～20分钟，降温期减少煤油滴量，按每分钟60滴，保温结束时断开加热器，工件垂直进入温度为50～70℃的油中冷却，一般冷却时间10～20分钟后吊起材料；
S1.5冷却好的材料要在半个小时之内进行低温回火，温度在160～190℃，保温时间2小时左右出炉空冷，得到表面渗碳处理的合金钢原材料。
进一步的，所述的步骤S2中，包括以下具体步骤：
S2.1将待处理的渗碳合金钢置于热处理设备上的夹紧抻直机构上，送至淬火区域进行淬火加工，通过输出电流将钢材淬火加热到1100℃后进行保温至淬火结束；
S2.2夹紧抻直机构继续往前行进，该过程中渗碳合金钢冷却到30℃-50℃，来到回火区域后，回火电极加热开始工作，回火温度达到650℃-670℃后进行保温，保温时间30-50s，回火结束后继续往前行进并冷却；
S2.3夹紧抻直机构来到二次回火区域，渗碳合金钢冷却到30℃-50℃后进行第二次回火，回火温度达到650℃-670℃后进行保温，保温时间30-50s，第二次回火结束后整个热处理流程结束，渗碳合金钢自然冷却，行进到下料区下料；最终热处理后的渗碳合金钢芯部硬度能达到52HRC，表面硬度能达到62HRC，夹紧抻直机构回到最初上料的区域进行下一轮的热处理生产。
有益效果：本发明提供的方法解决了目前渗氮层硬度虽高但渗层较浅，氮化硬度不均匀、产品弯曲畸变的现象，本发明提供的方法可以得到高韧性、高硬度且均匀、低不良率的直顶杆。本发明的方法简单易推广，有效降低成本。
具体实施方式
下面通过具体实施例详述本发明，但不限制本发明的保护范围。本实施例中渗碳合金钢热处理加工所采用的装置为CN2017107691589专利申请中所记载的淬回火热处理装置。
实施例1
第一阶段：合金钢原材料进行表面渗碳处理工艺
S1.首先在合金工具钢的原材料(SKD61日标牌号、国标牌号4Cr5MoSiV1、美标牌号为H13、德标牌号1.2344。大部分由铁元素组成，其中还包括其他一些特殊的金属及非金属元素组成，碳元素0.35-0.45，硅元素0.8-1.2，锰元素0.3-0.5，磷元素≤0.03，硫元素≤0.02，铬元素5.0-5.5，钼元素1.3-1.6，钒元素1.0-1.25：元素为该材质规定标准含量)基础上进行表面渗碳处理工艺；
S1.1把炉温升到800±10℃，断开电源打开炉盖将待处理的盘圆合金工具钢原材料置于渗碳周期炉内，关闭炉盖升温到930±10℃。在升温过程中，打开风扇及煤油阀门，以每分钟160滴的速度滴入炉内，进行排气，同时打开试样孔和排气管并点燃排气火焰。排气时间一般为60～80分钟，其中保证温度到渗碳温度后还要排气30分钟左右。
在渗碳过程中要随时注意火焰形状，通过观察火焰颜色判断强渗时间点，判断方法如下：如火焰呈金黄色，无力不熄灭，为正常状态；一旦断续熄灭，证明水气含量高了；火苗无黑焰和火星，火苗长100～150mm，为正常状态；若火苗出现火星，说明炉内炭黑过度；火苗过长、尖端外缘呈亮白色，说明渗碳剂供量过多；火苗短、外缘呈浅蓝色并有透明，说明渗碳剂供量不足或炉子漏气。
排气目的是为了赶走炉内空气，使炉内空气恢复到工艺规定的碳势气氛。保温目的是使炉内工件温度均匀。保温时间一般是40min～1h。渗碳温度一般为900～940℃，渗碳时间应根据要求的渗碳层深度确定，它与渗碳温度、炉内气氛的碳势等因素有关。渗碳温度越高、气氛碳势浓度越高，一定时间内的渗碳层就越深。渗碳剂采用滴注式渗碳时，可根据生产厂条件选择渗碳剂。选用普通煤油作渗碳剂，炉内碳黑较多。选用航空煤油，不易产生碳黑，甲醇作载气，煤油作富化气，炉内碳黑较少。用甲醇作载气，丙酮或醋酸乙醋作富化气，炉内碳黑则更少，可进行气氛的碳势控制。渗碳剂用量根据工件装载量和表面积大小等因素进行调整。
S1.2当火焰呈鸡蛋黄颜色时开始强渗，此时需要加大煤油的滴量，按每分钟180～200滴。在强渗时就可放入试棒(试棒是含碳量少的材料，尺寸Ф8×100mm)，关闭试样孔，炉压保持在6～10格——渗层深炉压取高值。渗碳速度一般按0.15～0.2mm/h来计算，如要渗层深度为0.8～1.2mm，则强渗时间为6小时，提前在强渗设定时间结束前半小时，取出试棒，观察渗层深度(试棒渗层深度一般为工件的一半)，深度达到后在强渗工艺结束即可开始下一阶段扩散期，否则增加强渗时间；
S1.3扩散期时温度保持不变，减少煤油滴量，按每分钟100滴，一般扩散时间为60～90分钟，作用是均匀材料表层的碳溶度。
S1.4扩散期结束开始降温，此时断开加热器，降温到810±10℃左右，并在此温度保温10～20分钟，降温期减少煤油滴量，按每分钟60滴。保温结束时断开加热器，关闭风扇，打开炉盖，用行车吊起工装，垂直进入温度为50～70℃的油中冷却，冷却时上下左右轻轻摇动工装，一般冷却时间为10～20分钟左右，吊起工装时也要注意材料出油的温度。
S1.5为防止材料开裂，冷却好的材料要在半个小时之内进行低温回火，温度一般在160～190℃，该温度由硬度要求而定，保温时间2小时左右出炉空冷。
第二阶段：渗碳合金钢热处理加工：
S2.首先根据高合金钢加工规格设置热处理感应线设备相应的淬回火工艺参数；设定设备变频参数为30，设置淬火中频装置电源电压380V、直流电压240V、直流电流220A、功率参数3.2KW；设置淬火高频装置直流电压350V、直流电流90A、功率3.9KW；设置回火中频装置直流电压75V、中频电压50V、直流电流20A、功率1.5KW。
S2.1将待处理的渗碳合金钢盘圆原料(由盘圆材切成1米长的直条料)置于旋转料架台上，由料架台下方电机驱动原材料转动，原料先经过流水式感应线设备的夹紧抻直机构进行矫直，矫直后依次进入淬火中频、淬火高频的感应线圈(或电极)内进行淬火热处理，淬火区域的电极自动连接机构连接到夹紧抻直机构两端，开始进行淬火加工，感应电流将钢材淬火加热到1100℃后钢材正好离开感应线圈(或电极)，边往前行进边进行风冷，期间经过矫直抻直装置对材料进行抻直。
S2.2夹紧抻直机构继续往前行进，渗碳合金钢进行至淬火剂液槽开始进一步的冷却，冷却到30℃-50℃后出淬火剂液槽，进入到回火区域。进入回火区域后，于回火中频的感应线圈内(或电极)进行回火处理，回火加热电流可与之前相同，回火温度达到650℃-670℃后进行保温，保温时间30-50s，回火结束后继续往前行进并自然冷却，期间经过矫直抻直装置对材料进行进一步抻直，最终行进到下料区由自动感应切断锯按照定尺下料；最终热处理后的渗碳合金钢芯部硬度能达到52HRC，表面硬度能达到62HRC。
第三阶段：渗碳合金钢顶杆产品加工
(1)氮化：直条渗碳合金钢的表面清洗，先用棉布擦干净，再用汽油洗，最后用棉布把工件擦干净；工夹具也要保持干净，无油垢和铁锈，铁丝要除去表面的镀锡层；洗好的直条渗碳合金钢在两小时内装炉，高度不能超过排气管的高度；装入后开始升温，封炉盖进行升温1.5h后升到420℃，打开风扇通氨气并且继续升温。当炉温升到450℃左右时，控制升温速度不要过快，以免造成保温初期的超温，氨气流量控制在2MPa/小时，使进气压力保持在20-40mm油柱，0.5h之后炉温升到530℃，这时增加氨气流量到3MPa/小时进入保温阶段，停止升温。保持温度和氨气分解率的正确和稳定防止产品被氧化；保温2h后再减小氨气流量到1.5MPa/小时继续保温3h，之后关闭氨气，开鼓风机进行降温，1h后降到300℃以下出炉。保温初期当测得分解率在35％-70％内时，记下此时的进气和排气压力，并在整个过程中保持压力不变。同时每隔半个小时或一个小时测量氨气分解率一次；此外还要经常观察炉温控制***和风扇运转是否正常，进气及排气压力是否稳定。
(2)精磨：将直条渗碳合金钢切成相应规格的短杆后，转到无心磨床的上料架上，由自动上料机构逐根进行上料，通过无心磨床，根据生产规格调整无心磨床导轮砂轮间距进行短杆磨光生产，磨光产品由下料架下料。
(3)鐓头：根据生产规格设置好鐓头机相应的热处理参数，更换相应规格的胎膜。磨光后的渗碳合金钢短杆由鐓头上料机进行逐根上料并进入到旋转的胎膜中，由胎膜前端的感应线圈对短杆一头进行加热，加热后再进行压头，下料，冷却后对鐓头部位再进行退火处理。
(4)头部成型：根据生产规格调节数控车床的加工刀具位置以及相关进刀、切削的参数，将鐓头好的产品进行头部加工处理，保证头部尺寸为加工标准范围。
(5)抛光：根据生产规格调节好抛光机床砂轮位置以及相关抛光参数，对加工好头部的产品进行最后的杆部抛光处理，抛掉没处理掉的退火痕迹，保证杆部的尺寸为加工标准范围。
将本发明实施例1记载方法制备的渗碳顶杆产品与普通顶杆产品进行性能对比，具体数据如表1所示。
表1性能对比
表面硬度 芯部硬度 抗拉强度
普通顶杆产品 51-53HRC 45-50HRC 1580MPa
渗碳顶杆产品 60-65HRC 50-55HRC 1880MPa
由表1数据可知本发明渗碳顶杆产品与普通顶杆产品主要本质区别：普通顶杆产品边缘只有一层0.06mm左右厚度的氮化层，而本发明渗碳顶杆产品除了氮化层之外，还有一层0.1mm左右的渗碳层，部分重叠区域就是碳氮共渗互溶状态，这是市场上尚未出现的新直顶杆产品。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造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创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (4)

1.渗碳直顶杆产品加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.首先对合金钢原材料进行表面渗碳处理工艺，所述合金工具钢的原材料由碳元素0.35-0.45％，硅元素0.8-1.2％，锰元素0.3-0.5％，磷元素≤0.03％，硫元素≤0.02％，铬元素5.0-5.5％，钼元素1.3-1.6％，钒元素1.0-1.25％，余量铁元素；
S2.将渗碳合金钢热处理加工；
S3.渗碳合金钢顶杆加工
S3.1氮化：对渗碳合金钢的表面清洗，然后装炉，封炉盖升温至420±10℃并通氨气，氨气流量控制在2-3MPa/小时，继续升温，通入0.5-1h后温度升到530±10℃，将氨气增加到3-4MPa/小时，进入保温状态，保温2-2.5h后再将氨气减少到1.5MPa/小时并再保温3-4h后关闭氨气，降温至300℃以下出炉；
S3.2将直条渗碳合金钢切成相应规格的短杆后，依次进行精磨、鐓头、头部成型和抛光工艺。
2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述的步骤S1中，包括以下具体步骤：
S1.1把炉温升到800±10℃，将待处理的盘圆合金工具钢原材料置于渗碳周期炉内，关闭炉盖升温到930±10℃，在升温过程中，以每分钟160滴的速度将煤油滴入炉内，同时排气，排气时间一般为60～80分钟；
S1.2判断强渗时间点，强渗时加大煤油的滴量，按每分钟180～200滴，在强渗时放入试棒，渗碳速度为0.15～0.2mm/h，试棒上渗层深度达到二分之一时，在强渗结束就可以进行下一扩散期；
S1.3扩散期时温度保持不变，减少煤油滴量，按每分钟100滴，扩散时间为60～90分钟；
S1.4扩散期结束开始降温，降温到810±10℃，并在此温度保温10～20分钟，降温期减少煤油滴量，按每分钟60滴，保温结束时断开加热器，工件垂直进入温度为50～70℃的油中冷却，一般冷却时间10～20分钟后吊起材料；
S1.5冷却好的材料要在半个小时之内进行低温回火，温度在160～190℃，保温时间2小时左右出炉空冷，得到表面渗碳处理的合金钢原材料。
3.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述的步骤S2中，包括以下具体步骤：
S2.1将待处理的渗碳合金钢置于热处理设备上的夹紧抻直机构上，送至淬火区域进行淬火加工，通过输出电流将钢材淬火加热到1100℃后进行保温至淬火结束；
S2.2夹紧抻直机构继续往前行进，该过程中渗碳合金钢冷却到30℃-50℃，来到回火区域后，回火电极加热开始工作，回火温度达到650℃-670℃后进行保温，保温时间30-50s，回火结束后继续往前行进并冷却；
S2.3夹紧抻直机构来到二次回火区域，渗碳合金钢冷却到30℃-50℃后进行第二次回火，回火温度达到650℃-670℃后进行保温，保温时间30-50s，第二次回火结束后整个热处理流程结束，渗碳合金钢自然冷却，行进到下料区下料；夹紧抻直机构回到最初上料的区域进行下一轮的热处理生产。
4.一种渗碳直顶杆产品，其特征在于，按照权利要求1所述方法制备。
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