一种钢浅层渗碳的热处理方法
阅读说明：本技术 一种钢浅层渗碳的热处理方法 (Heat treatment method for superficial carburization of steel ) 是由 鞠殿巍 李立群 辛玉武 孙东文 曾西军 师玉英 张宇慧 孙振淋 辛昕 宋鸿超 于 2020-04-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及热处理领域,尤其是一种钢浅层渗碳的热处理方法。该方法包括：对零件的非渗碳区域镀铜防护；零件包括非渗碳区域和渗碳区域；清理渗碳区域的渗碳表面；在可控气氛炉内,对渗碳表面进行首次渗碳；其中,首次渗碳的第二段中,其碳势范围为0.75±0.05％C；首次渗碳包括两段；零件渗碳后淬火、高温回火、去铜。本发明解决了常规工艺参数存在零件渗碳层深度容易超差、零件变形严重等问题。(The invention relates to the field of heat treatment, in particular to a heat treatment method for superficial carburization of steel. The method comprises the following steps: copper plating protection is carried out on a non-carburized area of the part; the part includes a non-carburized region and a carburized region; cleaning a carburized surface of a carburized area; performing primary carburization on a carburized surface in a controlled atmosphere furnace; wherein, in the second stage of the first carburization, the carbon potential range is 0.75 +/-0.05% C; the first carburization comprises two sections; quenching, high-temperature tempering and copper removal are carried out after the parts are carburized. The method solves the problems of easy out-of-tolerance of the depth of the carburized layer of the part, serious deformation of the part and the like existing in the conventional process parameters.)
技术领域
本发明涉及热处理领域，尤其是一种钢浅层渗碳的热处理方法。
背景技术
16Cr3NiWMoVNbE是根据XXX10发动机研制的需要，以俄罗斯的ДИ-39Ш(牌号为16Х3НВФМБ-Ш)钢为依据，由国内钢厂研制的新型多元复合的热强钢系齿轮钢，具有优良的加工性能和使用性能。相对于12Cr2Ni4A等只能在170℃以下使用的齿轮渗碳钢材，16Cr3NiWMoVNbE优质渗碳钢具有更加良好的综合性能，例如强度、晶粒长大倾向、淬透性等均优于12Cr2Ni4A，并可以满足新一代发动机的齿轮啮合表面≥300℃的高工作温度要求。目前16Cr3NiWMoVNbE优质渗碳钢已成功应用于我厂多种批产及科研产品中。某辅助动力装置机型中应用该材料的齿轮类零件要求工序间渗层要求深度多为(0.5～0.7)mm或近似渗层，同时表面硬度仅要求为HR15N≥88。当前对于该类浅层工艺成熟度较低，常规工艺参数存在零件渗层深度容易超差等问题。
发明内容
本发明的目的是提供16Cr3NiWMoVNbE钢浅层渗碳的优化解决方案，可保证浅层渗碳位置硬度达到HR15N≥88，心部硬度达到HRC35～46并满足相应机械性能要求的前提下，渗层符合要求，同时零件具有较小的热处理变形。
本发明提供一种钢浅层渗碳的热处理方法，包括：
对零件的非渗碳区域镀铜防护；零件包括非渗碳区域和渗碳区域；
清理渗碳区域的渗碳表面；
在可控气氛炉内，对渗碳表面进行首次渗碳；其中，首次渗碳的第二段中，其碳势范围为0.75±0.05％C；首次渗碳包括两段；
零件渗碳后淬火、高温回火、去铜。
进一步的，所述方法还包括：
对最终的零件进行整体镀铜；
在可控气氛炉内，对整体镀铜的零件进行二次渗碳；
二次渗碳的零件进行淬火、冰冷、回火、检验。
进一步的，首次渗碳的条件包括：
保温温度的范围为920±10℃；首段的碳势范围0.35±0.05％C，保温时间范围35±5min；第二段的碳势范围为0.75±0.05％C，保温时间范围为50±20min，随炉降温的范围至840±20℃，碳势范围为0.75±0.05％C，保温时间范围20±10min。
进一步的，第一次镀铜的铜层厚度范围为0.03～0.05mm；第一次镀铜的铜层厚度范围为0.02～0.04mm。
进一步的，二次渗碳的条件为：
在可控气氛炉内，保温温度范围为910±10℃，碳势范围为0.4±0.1％C，保温时间范围为50±20min。
进一步的，淬火的条件：保温结束后油冷，油温范围为50±10℃。
进一步的，冰冷需在淬火结束后2h以内进行，温度小于-70℃，冷却时间范围为2～2.5h，然后空冷至室温。
进一步的，回火在冰冷结束后2h以内进行，温度范围为200±10℃，时间范围为3～3.5h，然后空冷至室温。
本发明通过系统的材料渗碳特性研究，重点分析不同渗碳碳势、淬火温度、时间，回火温度、时间、冰冷温度和冰冷时间等关键因素对渗层质量及性能的影响。通过选择不同参数的多次试验，对硬度和性能数据进行统计分析，确定了合理的渗碳、淬火、冰冷及回火热处理工艺参数，在保证热处理后表面硬度、心部硬度、性能等相关要求的同时，解决了常规工艺参数存在零件渗碳层深度容易超差、零件变形严重等问题。
具体实施方式
其具体的实施步骤为：
(1)非渗碳区域镀铜防护,铜层厚度0.05mm；
(2)使用吹砂机清理零件渗碳表面，吹砂压力为0.25Mpa，至零件为灰白色为止，然后在1个小时以内进行渗碳；
(3)在可控气氛炉内，对渗碳表面进行渗碳。保温温度为920℃，首段碳势0.35％C，保温35min，第二段碳势为0.75％C，保温50min，随炉降温至840℃，碳势0.75％C，保温20min，保温结束后保护气氛冷却。
(4)零件渗碳后8小时内高温回火，在保护气氛炉进行高温回火，回火温度为680℃，回火时间为5.5h，保温结束后随炉快冷至室温；
(5)零件去铜吹砂
(6)零件整体镀铜，铜层厚度0.04mm
(7)在可控气氛炉内，保温温度为910℃，碳势0.4％C，保温50min，保温结束后油冷，油温为50℃。
(8)零件淬火结束后2h以内进行冰冷，温度-80℃，时间为2h，然后空冷至室温；
(5)零件冰冷结束后2h以内进行回火，温度200℃，时间3h，然后空冷至室温；
(6)检验。
实施案例
某辅助动力装置齿轮要求齿轮渗碳，表面硬度要求HR15N≥88，心部硬度要求HRC35～46，渗层要求(0.55～0.7)mm。
(1)非渗碳区域镀铜防护,铜层厚度0.05mm；
(2)使用吹砂机清理零件渗碳表面，吹砂压力为0.25Mpa，至零件为灰白色为止，然后在1个小时以内进行渗碳；
(3)在可控气氛炉内，对渗碳表面进行渗碳。保温温度为920℃，首段碳势0.35％C，保温35min，第二段碳势为0.75％C，保温50min，随炉降温至840℃，碳势0.75％C，保温20min，保温结束后保护气氛冷却。
(4)零件渗碳后8小时内高温回火，在保护气氛炉进行高温回火，回火温度为680℃，回火时间为5.5h，保温结束后随炉快冷至室温；
(5)零件去铜吹砂
(6)零件整体镀铜，铜层厚度0.04mm
(7)在可控气氛炉内，保温温度为910℃，碳势0.4％C，保温50min，保温结束后油冷，油温为50℃。
(8)零件淬火结束后2h以内进行冰冷，温度-80℃，时间为2h15min，然后空冷至室温；
(5)零件冰冷结束后2h以内进行回火，温度200℃，时间3h15min，然后空冷至室温；
(6)检验。
热处理结束后测量值如下：
(1)渗层深度
实测渗层深度0.67mm。
结论为合格。
(2)金相组织
零件的渗层区金相组织中碳化物弥散分布，未见明显的网状碳化物与残余奥氏体存在，心部组织为铁素体+马氏体，符合HB5493中的规定。
(3)硬度
硬度指标见标表1。
表1硬度检测结果
检测项目
表面硬度
心部硬度
要求
HR15N≥88
HRC 35～46
结果
88.5
41
结论为合格。
(4)机械性能
机械性能指标见标表2。
表2机械性能检测结果
检测项目
σb(Mpa)
σ0.2(Mpa)
δ5(％)
ψ(％)
Aku(J)
要求
≥1270
≥1130
≥10
≥50
≥51
结果
1401
1168
16
68
170
结论为合格。