一种薄型精密紧固件微渗碳工艺
阅读说明：本技术 一种薄型精密紧固件微渗碳工艺 (Micro carburizing process for thin precision fastener ) 是由 蔡俊信 于 2020-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种薄型精密紧固件微渗碳工艺,属于金属处理技术领域。在渗碳处理过程中使用液化石油气分解气作为保护气,通过控制淬火炉内温度为875-885℃,碳浓度为0.65-0.75％,接触时间为18-22min,渗碳处理后的紧固件材料经油浴60～80℃条件冷却,得到渗碳紧固件材料,在实施过程中通过对温度、碳浓度以及时间进行合理控制,在保证机械性能较高的前提下保证薄型精密紧固件不会断裂,降低了成本,缩短了时间,本发明要求保护的微渗碳工艺主要针对0.5mm头厚以下薄型精密紧固件的渗碳处理,可以有效避免精密紧固件头部断裂现象的发生。(The invention provides a micro carburizing process for a thin precision fastener, and belongs to the technical field of metal treatment. In the carburizing treatment process, liquefied petroleum gas decomposition gas is used as protective gas, the temperature in a quenching furnace is controlled to be 875-plus 885 ℃, the carbon concentration is 0.65-0.75%, the contact time is 18-22min, the fastener material after the carburizing treatment is cooled by an oil bath at the temperature of 60-80 ℃ to obtain the carburizing fastener material, and the temperature, the carbon concentration and the time are reasonably controlled in the implementation process, so that the thin precision fastener is ensured not to be broken on the premise of ensuring higher mechanical performance, the cost is reduced, and the time is shortened.)
技术领域
本发明属于金属处理技术领域，具体涉及一种薄型精密紧固件微渗碳工艺。
背景技术
随着紧固件行业的快速发展以及市场竞争的日益激烈，再加上客户对紧固件产品质量如轻量化、环保、寿命长等的方面要求的不断提高，而处理工艺需要不断地适应市场需求，不断发展。渗碳作为一种表面硬化法，具有悠久的历史，无论是在机械制造业、航空发动机或轴承齿轮行业中均是应用最为广泛的热处理工艺。
渗碳的目的是在低碳钢或低碳合金钢零件表面得到高的含碳量、其后经淬火、回火等一些列工艺得到高的硬度和耐磨性的渗碳层，其零件心部具有高的韧性。因此渗碳工艺的特点是把低碳钢或低碳合金钢零件置于具有增碳能力、含活性碳原子介质(渗碳剂)中加热、保温，使活性碳原子介质渗入零件表面、并在碳浓度梯度作用下，碳原子由表到里扩散形成要求厚度和碳浓度的扩散层，及渗碳层。按照渗碳介质的状态，一般渗碳工艺分为气体渗碳、液体渗碳和固体渗碳三类。
渗碳只能提高零件表面的含碳量，要使其具有高硬度和耐磨性，以及零件心部具有高的强韧性零件在渗碳之后必须进行淬火和低温回火，使零件表面层为高碳回火马氏体组织，心部为低碳回火马氏体组织，因此，实现渗碳强化零件的目的。必须正确完成渗碳、淬火和低温回火等一系列热处理。而渗碳零件多数也是比较重要的零件，要求力学性能和可靠性比较高，常用于齿轮或活塞，因此，渗碳钢对钢材的冶金质量和化学成分等要求较高，绝大部分渗碳钢属于优质钢和高级优质钢。
渗碳和其他化学热处理一样，也包含分解、吸附、扩散3个基本过程，及渗碳介质的分解产生活性碳原子；活性碳原子被钢件表面吸收后即溶到表面奥氏体中，使奥氏体中含碳量增加；表面含碳量增加便与心部含碳量出现浓度差，表面的碳遂向内部扩散，碳在钢中的扩散速度主要取决于温度，同时与工件中被渗元素内外浓度差和钢中合金元素含量有关。
为了提高钢的力学性能和淬透性，以及其他热处理性能，常在钢中添加各种合金元素，如添加铬、锰、镍、钼、硼可提高淬透性，利用零件实现渗碳后的淬火强度，即淬火渗碳零件的表层和心部均可获得马氏体组织，具有良好的力学性能，即表面有高的硬度，耐磨性和接触疲劳强度，心部有高的强韧性。
渗碳工艺在中国可以追溯到2000年以前，冷兵器时代工匠们为了制造出锋利且强度更高的兵器，通常使用固体渗碳工艺，用于优化制造的兵器。液体和气体渗碳是在20世纪出现并得到广泛应用的，至70年代出现了真空渗碳和离子渗碳。
中国专利申请201510274624.7中公开了一种螺钉渗碳淬火工艺，包括以下步骤：1)将螺钉装入热处理炉，升温至875℃，碳势为0.1％，并保温30分钟；2)、将热处理炉内碳势升为1.05％，通入流量为1.2-2L/min的氨气，保持炉温为875℃，并保温时间350分钟；3)、将热处理炉内碳势降至0.7％，控制氨气流量为1.0-1.5L/min，保持炉温为875℃，炉温波动范围控制在±0.2℃范围内，并保温时间为200分钟；4)、在步骤3)后对螺钉进行淬火冷却。该发明能使由20CrMo制造的螺钉的表面硬度HV0.3≤430，芯部硬度HV0.3≥342，螺钉的碳氮共渗层深在0.7-1.0mm，金相组织中碳化物在1-3级；同时由于本工艺使渗碳和淬火连续进行，从而缩短了工艺流程，减少了转运、及热处理等成本，生产效率更高，但是该申请中热处理炉内碳浓度较高，且保温时间较长，并且在渗碳工艺中通入氨气，因此为碳氮共渗，容易导致薄型头厚0.5mm以下精密紧固件发生头部断裂。
再如，中国专利申请201510125673.4中公开了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)。该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，该申请在循环渗碳和淬火过程中碳浓度较高，且时间较长，同样容易导致薄型头厚0.5mm以下精密紧固件发生头部断裂。
因此，亟需开发一种能够保护薄型头厚0.5mm以下精密紧，防止薄型头厚0.5mm以下精密紧固件发生头部断裂的微渗碳技术。
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薄型精密紧固件微渗碳工艺，本发明通过控制渗碳工艺温度，碳浓度及渗碳时间，在保证渗碳钢硬度的同时降低了成本，缩短了时间。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种薄型精密紧固件微渗碳工艺，按如下步骤进行：
步骤1)：将紧固件材料放入含有水溶性脱脂剂的水溶液中进行超声脱脂，然后将脱脂后的紧固件材料放入清洗设备，加水清洗除去表面脱脂残留，拉网频率15分/次，再次水洗，得到清洗干净的紧固件材料；
步骤2)：将步骤1)中清洗干净的紧固件材料置于脱水机内脱水，得到干燥的紧固件材料；
步骤3)：将步骤2)中清洗干净的紧固件材料平铺在网带上，所铺厚度为0.5-1cm，得到待渗碳处理的紧固件材料；
步骤4)：将液化石油气通入变成炉内控制温度为1040℃并经触煤分解，将淬火炉内温度升至875-885℃，将分解后的液化石油气通入连续式淬火炉内并接触步骤3)得到的待渗碳处理的紧固件材料，渗碳处理后的紧固件材料经油浴冷却，得到淬火后的渗碳紧固件材料；
步骤5)：将步骤4)中得到的淬火后的紧固件材料放入含有水溶性脱脂剂的水溶液中进行超声脱脂，然后将脱脂后的紧固件材料放入清洗设备，加水清洗除去表面脱脂残留，拉网频率20分/次，再次水洗，得到干净的渗碳紧固件材料；
步骤6)：将步骤5)得到的干净的渗碳紧固件材料放入脱水机内，脱水并加热，得到脱水后的紧固件；
步骤7)：将脱水后的紧固件放置于烤盘中进行回火处理得到渗碳紧固件成品。
上述步骤1)中所述的水溶液的温度为55-65℃，超声清洗时间为3-5min。
上述步骤1)中所述的加水清洗时间为1-3min；
上述步骤2)中所述的脱水时间为3-5min；
上述步骤4)中所述的淬火炉内温度为875-885℃；优选为876-884℃；再选为877-883℃，进一步优选为878-882℃，再进一步优选为879-881℃；更进一步优选为880℃。
上述步骤4)中渗碳过程中的碳浓度为0.65-0.75％；优选为0.66-0.74％；再优选为0.67-0.73％；进一步优选为0.68-0.72％；再进一步优选为0.69-0.71％；更进一步优选为0.70％。
上述步骤4)中所述的渗碳时间为18-22min；优选为19-21min；再优选为20-21min；进一步优选为21min。
上述步骤4)中所述的油浴温度为60～80℃。
上述步骤5)中所述的水溶液的温度为55-65℃，超声清洗时间为5-8min；所述的加水清洗时间为2-5min。
上述步骤6)中所述的脱水温度为60-80℃，时间5-10min；
上述步骤7)中所述的回火处理温度390-395℃，时间60min。
本发明所述的紧固件的材质为1018或1022低碳钢。
上述步骤4)中所述的触媒为镍触媒，是以镍为活性组份,氧化铝为主要载体的二段转化催化剂；
上述所述的拉网频率为紧固件材料在网中翻动的次数。
本发明公开了一种薄型精密紧固件微渗碳工艺，具体包括如下步骤：
步骤1)：将紧固件材料放入55-65℃含有水溶性脱脂剂的水溶液中进行超声脱脂3-5min，然后将脱脂后的紧固件材料放入清洗设备，加水清洗1-3min除去表面脱脂残留，拉网频率15分/次，再次水洗，得到清洗干净的紧固件材料；
步骤2)：将步骤1)中清洗干净的紧固件材料置于脱水机内脱水3-5min，得到干燥的紧固件材料；
步骤3)：将步骤2)中清洗干净的紧固件材料平铺在网带上，所铺厚度为0.5-1cm，得到待渗碳处理的紧固件材料；
步骤4)：将液化石油气通入变成炉内控制温度为1040℃并经触煤分解，将淬火炉内温度升至875-885℃，将分解后的液化石油气通入连续式淬火炉内并接触步骤3)得到的待渗碳处理的紧固件材料，碳浓度为0.65-0.75％，接触时间为18-25min，渗碳处理后的紧固件材料经油浴60～80℃条件冷却，得到淬火后的渗碳紧固件材料；
步骤5)：将步骤4)中得到的淬火后的紧固件材料放入55-65℃含有水溶性脱脂剂的水溶液中进行超声脱脂5-8min，然后将脱脂后的紧固件材料放入清洗设备，加水清洗2-5min除去表面脱脂残留，拉网频率20分/次，再次水洗，得到干净的渗碳紧固件材料；
步骤6)：将步骤5)得到的干净的渗碳紧固件材料放入脱水机内，脱水5-10min并加热至60-80℃，得到脱水后的紧固件；
步骤7)：将脱水后的紧固件放置于烤盘中进行回火处理，回火处理温度390-395℃，时间60min，得到渗碳紧固件成品。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)本发明在实施过程中通过对温度、碳浓度以及时间进行合理控制，在保证机械性能(渗碳钢硬度和破坏扭力)的前提下保证薄型精密紧固件不会断裂，降低了成本，缩短了时间；
2)本发明要求保护的微渗碳工艺主要针对0.5mm头厚以下薄型精密紧固件的渗碳处理，并将紧固件表面硬度控制在390-420HV之间，而目前公开较多的渗碳技术要求紧固件表面硬度≥450HV，该硬度容易造成0.5mm头厚以下薄型精密紧固件发生断裂，从而影响使用；
3)现有技术中公开的微渗碳工艺常采用氮气作为保护气，而本发明要求保护的渗碳工艺采用液化石油气分解气作为保护。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述。
实施例1一种薄型精密紧固件微渗碳工艺
具体包括如下步骤：
步骤1)：将紧固件材料放入55℃含有水溶性脱脂剂的水溶液中进行超声脱脂5min，然后将脱脂后的紧固件材料放入清洗设备，加水清洗3min除去表面脱脂残留，拉网频率15分/次，再次水洗，得到清洗干净的紧固件材料；
步骤2)：将步骤1)中清洗干净的紧固件材料置于脱水机内脱水5min，得到干燥的紧固件材料；
步骤3)：将步骤2)中清洗干净的紧固件材料平铺在网带上，所铺厚度为0.5cm，得到待渗碳处理的紧固件材料；
步骤4)：将液化石油气通入变成炉内控制温度为1040℃并经触煤分解，将淬火炉内温度升至875℃，将分解后的液化石油气通入连续式淬火炉内并接触步骤3)得到的待渗碳处理的紧固件材料，碳浓度为0.65％，接触时间为22min，渗碳处理后的紧固件材料经油浴60℃条件冷却，得到渗碳紧固件材料；
步骤5)：将步骤4)中得到的淬火后的紧固件材料放入55℃含有水溶性脱脂剂的水溶液中进行超声脱脂8min，然后将脱脂后的紧固件材料放入清洗设备，加水清洗5min除去表面脱脂残留，拉网频率20分/次，再次水洗，得到干净的渗碳紧固件材料；
步骤6)：将步骤5)得到的干净的渗碳紧固件材料放入脱水机内，脱水5min并加热至80℃，得到脱水后的紧固件；
步骤7)：将脱水后的紧固件放置于烤盘中进行回火处理，回火处理温度390℃，时间60min，得到渗碳紧固件成品。
上述步骤4)中所述的触媒为以镍为活性组份,氧化铝为主要载体的二段转化催化剂。
实施例2一种薄型精密紧固件微渗碳工艺
具体包括如下步骤：
步骤1)：将紧固件材料放入65℃含有水溶性脱脂剂的水溶液中进行超声脱脂3min，然后将脱脂后的紧固件材料放入清洗设备，加水清洗1min除去表面脱脂残留，拉网频率15分/次，再次水洗，得到清洗干净的紧固件材料；
步骤2)：将步骤1)中清洗干净的紧固件材料置于脱水机内脱水5min，得到干燥的紧固件材料；
步骤3)：将步骤2)中清洗干净的紧固件材料平铺在网带上，所铺厚度为0.5-1cm，得到待渗碳处理的紧固件材料；
步骤4)：将液化石油气通入变成炉内控制温度为1040℃并经触煤分解，将淬火炉内温度升至885℃，将分解后的液化石油气通入连续式淬火炉内并接触步骤3)得到的待渗碳处理的紧固件材料，碳浓度为0.75％，接触时间为18min，渗碳处理后的紧固件材料经油浴80℃条件冷却，得到渗碳紧固件材料；
步骤5)：将步骤4)中得到的淬火后的紧固件材料放入65℃含有水溶性脱脂剂的水溶液中进行超声脱脂5min，然后将脱脂后的紧固件材料放入清洗设备，加水清洗2min除去表面脱脂残留，拉网频率20分/次，再次水洗，得到干净的渗碳紧固件材料；
步骤6)：将步骤5)得到的干净的渗碳紧固件材料放入脱水机内，脱水10min并加热至80℃，得到脱水后的紧固件；
步骤7)：将脱水后的紧固件放置于烤盘中进行回火处理，回火处理温度395℃，时间60min，得到渗碳紧固件成品。
上述步骤4)中所述的触媒为以镍为活性组份,氧化铝为主要载体的二段转化催化剂。
实施例3一种薄型精密紧固件微渗碳工艺
具体包括如下步骤：
步骤1)：将紧固件材料放入60℃含有水溶性脱脂剂的水溶液中进行超声脱脂4min，然后将脱脂后的紧固件材料放入清洗设备，加水清洗2min除去表面脱脂残留，拉网频率15分/次，再次水洗，得到清洗干净的紧固件材料；
步骤2)：将步骤1)中清洗干净的紧固件材料置于脱水机内脱水4min，得到干燥的紧固件材料；
步骤3)：将步骤2)中清洗干净的紧固件材料平铺在网带上，所铺厚度为0.8cm，得到待渗碳处理的紧固件材料；
步骤4)：将液化石油气通入变成炉控制温度为1040℃内并经触煤分解，将淬火炉内温度升至880℃，将分解后的液化石油气通入连续式淬火内并接触步骤3)得到的待渗碳处理的紧固件材料，碳浓度为0.70％，接触时间为21min，渗碳处理后的紧固件材料经油浴70℃条件冷却，得到渗碳紧固件材料；
步骤5)：将步骤4)中得到的淬火后的紧固件材料放入60℃含有水溶性脱脂剂的水溶液中进行超声脱脂6min，然后将脱脂后的紧固件材料放入清洗设备，加水清洗4min除去表面脱脂残留，拉网频率20分/次，再次水洗，得到干净的渗碳紧固件材料；
步骤6)：将步骤5)得到的干净的渗碳紧固件材料放入脱水机内，脱水8min并加热至70℃，得到脱水后的紧固件；
步骤7)：将脱水后的紧固件放置于烤盘中进行回火处理，回火处理温度392℃，时间60min，得到渗碳紧固件成品。
上述步骤4)中所述的触媒为以镍为活性组份,氧化铝为主要载体的二段转化催化剂。
对比例
使用本领域常规方法制备渗碳紧固件成品，然后进行性能测试
具体操作方法为：
步骤1)：将紧固件材料放入65℃含有水溶性脱脂剂的水溶液中进行超声脱脂3min，然后将脱脂后的紧固件材料放入清洗设备，加水清洗1min除去表面脱脂残留，拉网频率15分/次，再次水洗，得到清洗干净的紧固件材料；
步骤2)：将步骤1)中清洗干净的紧固件材料置于脱水机内脱水5min，得到干燥的紧固件材料；
步骤3)：将步骤2)中清洗干净的紧固件材料平铺在网带上，所铺厚度为2cm，得到待渗碳处理的紧固件材料；
步骤4)：将液化石油气通入变成炉内控制温度为1000℃并经触煤分解，将淬火炉内温度升至900℃，将分解后的液化石油气通入淬火连续式加热炉内并接触步骤4)得到的待热处理的紧固件材料，碳浓度为0.5％，接触时间为35min，热处理后的紧固件材料经油浴80℃条件冷却，得到淬火后的紧固件材料；
步骤5)：将步骤4)中得到的淬火后的紧固件材料放入65℃含有水溶性脱脂剂的水溶液中进行超声脱脂5min，然后将脱脂后的紧固件材料放入清洗设备，加水清洗2min除去表面脱脂残留，拉网频率20分/次，再次水洗，得到干净的渗碳紧固件材料；
步骤6)：将步骤5)得到的干净的紧固件材料放入脱水机内，脱水10min并加热至80℃，得到脱水后的紧固件；
步骤7)：将脱水后的紧固件放置于烤盘中进行回火处理，回火处理温度410℃，时间90min，得到紧固件成品。
上述步骤4)中所述的触媒为以镍为活性组份,氧化铝为主要载体的二段转化催化剂。
效果实验
根据实施例1-4和对比例公开的方法分别制备渗碳紧固件成品200件，然后分别随机选取50件进行硬度和破坏扭力测试，取平均值，检测结果见下表1和表2。
1、硬度测试
检测方法：根据标准ISO898-1:2009公开的方法进行检测，检测结果见下表1。
表1实施以1-3及对比例制备的紧固件的硬度测试结果
根据上表1的检测数据可以看出使用本发明中公开的微渗碳工艺，用于制备渗碳紧固件成品，可以使外径M1.2，头厚0.5mm以下薄型精密紧固件表面硬度控制在390-420HV之间，芯部硬度控制在335-355HV之间，能够满足使用需求，且不会造成精密紧固件发生头部断裂的情况发生，而对比例中改变工艺中的参数不在本发明要求保护的范围内得到的薄型精密紧固件表面硬度仅能达到327HV，芯部硬度为315HV，明显低于本发明，并且表面硬度和芯部硬度相差不大，所得产品不能满足行业需求。
2、破坏扭力测试
检测方法：根据标准ISO898-1:1992公开的方法进行检测，检测结果见下表2。
表2实施以1-3及对比例制备的紧固件的破坏扭力结果
实例
破坏扭力
实施例1
1.47kgf.cm
实施例2
1.49kgf.cm
实施例3
1.52kgf.cm
对比例
1.18kgf.cm
根据上表2的检测数据可以看出本发明提供的微渗碳工艺，用于制备渗碳紧固件成品，可以使外径M1.2，头厚0.5mm以下薄型精密紧固件的破坏扭力提升到1.47kgf.cm，并不会发生头部断裂现象，完全满足使用需求，而对比例中改变工艺中的参数不在本发明要求保护的范围内得到的薄型精密紧固件破坏扭力仅能达到1.18kgf.cm，明显低于本发明，得到的产品不能满足行业需求。
惟以上所述者，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施之范围，即大凡依本发明权利要求及发明说明书所记载的内容所作出简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明权利要求所涵盖范围之内。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明之权利范围。
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