專利名稱:微氮中溫氣體滲碳工藝的制作方法
本發(fā)明是鋼件表面強化新工藝，適用于硬化層厚度為0.5～2.0毫米的零件和工模具。
普通滲碳在約920℃溫度下進行，鋼件變形較大。中溫滲碳和碳-氮共滲常用溫度為820～880℃，有利于減少變形;但是，中溫滲碳因溫度低、滲速比普通滲碳低25-50%;而碳氮共滲存在著目前尚未解決的氮勢控制問題，若滲層內(nèi)含量過高，則出現(xiàn)異常組織，使旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞和接觸疲勞分別降低 1/2 和 1/3 ，鋼件使用壽命大幅度降低。
大和田哲郎針對吸熱式氣氛碳-氮共滲中存在的晶界內(nèi)氧化和過量殘余奧氏體促使表面硬化層剝落、耐磨性惡化和變形大的問題，提出了“擴散式特殊氣體碳-氮共滲法”(昭55-44153)在碳-氮共滲的不同階段適當(dāng)調(diào)整甲烷和氨(或它們的替代氣體)的添加量、(見圖1)、達到避免過量的碳和氮的滲入，促使擴散適當(dāng)并均勻地進行，從而使?jié)B層具有合理的顯微硬度分布(見圖2)，沒有剝落現(xiàn)象和高的耐磨性及鋼件變形小的優(yōu)點。
1984年洛陽拖拉機研究所和常州齒輪廠在“東風(fēng)-12型手扶拖拉機齒輪熱處理的變形控制試驗報告”中指出農(nóng)機齒輪行業(yè)工藝難點調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，普遍存在著熱處理變形造成齒輪精度降低2-3級的質(zhì)量問題;減少和控制齒輪花鍵孔變形是長期以來存在的一個難點，國內(nèi)的拖拉機齒輪的花鍵孔一般還難于達到D4.5精度。為此，機械工業(yè)部把減少和控制滲碳齒輪的熱處理變形列為重點攻關(guān)項目，該研究表明，中小模數(shù)齒輪宜采用20CrMO鋼;淬透性應(yīng)控制在j＝ (30-36)/9 范圍內(nèi);正火后齒坯合適的硬度為HB160～180;剃齒刀應(yīng)作修正，進行反變形加工，以補償熱處理造成的變形;采用碳-氮共滲和熱油分級淬火;滲層控制在0.60-1.00毫米。齒輪熱處理后精度損失可控制在1-1.5級(主要是齒向)，但齒輪心部硬度低于HRC33。
從動螺旋錐齒輪具有環(huán)狀的外形、齒輪呈螺旋狀，各部位截面厚度相差懸殊，熱處理后出現(xiàn)嚴重的撓曲、橢園度和螺旋角變化。為了減少變形，此類齒輪滲碳后一般都采用模壓淬火。BaCubeB等人提出采用各種結(jié)構(gòu)的淬火壓床以減少該類齒輪熱處理變形的模壓淬火的試驗結(jié)果(MHTOM、1983.NO3.2-4)表明，模壓淬火不僅需要壓床;制造壓模;逐件施壓淬火，生產(chǎn)效率低;而且齒形和齒向仍有較大變形，使主、從動齒輪配對發(fā)生困難。因此為了減少此類齒輪熱處理變形，實現(xiàn)滲碳后自由淬火(不施處加壓力)是熱處理研究者常期以來探索的課題。
本發(fā)明的目的是提出一種具有較高滲速、更高力學(xué)性能、不出現(xiàn)異常組織、有利于減少和控制齒輪等復(fù)雜形狀鋼件變形的滴注方法及其他措施等;以實現(xiàn)螺旋錐齒輪滲碳后自由淬火的表面強化方法。
本發(fā)明是以滲碳為主的表面硬化工藝，向滲碳氣氛中添加少量供氮組分的目的是為了改善碳由氣氛向鋼件表面?zhèn)鬟f的動力學(xué)特性，并使?jié)B層含有微量的氮，以增大碳在r-Fe中的擴散系數(shù)及提高滲層的滲透性和避免淬火時在滲層內(nèi)出現(xiàn)屈氏體。本發(fā)明處理后鋼件的表面碳和氮含量分別為0.75～0.95%C和≤0.10%N(通常為0.02～0.03%N)。
本發(fā)明可在滴注式井式或箱式氣體滲碳爐中進行。采用0＃和1＃滴劑。0＃滴劑的組成為1升工業(yè)用乙醇中添加3～10毫升四氯化碳和15～25毫升甲酰胺。1＃滴劑配方是1升滲碳用煤油中添加3～10毫升四氯化碳和10～20毫升苯。0＃滴劑可作為加熱過程中的排氣滴劑，強滲期它作為產(chǎn)生載氣的滴劑。通過調(diào)整0＃和1＃滴劑的滴入量配比，可以在較大圍范內(nèi)變動氣氛碳勢。擴散期內(nèi)由0＃滴劑調(diào)整所需要的碳勢(～0.85%)和氮勢(～0.03%N)。
適用于滲層厚度為0.80～0.90毫米鋼件的本發(fā)明典型工藝是在RJJ型爐內(nèi)進行，如圖3所示鋼件在870℃裝爐后，升溫過程中滴10～12毫升/分的0＃滴劑，以置換出裝爐時侵入爐內(nèi)的空氣，同時使鋼件表面潔凈，30分鐘后同時滴入0＃和1＃滴劑，兩者的滴量相同，約為8毫升/分;爐溫達到870℃后15～30分鐘，從試樣孔放入低碳的鐵絲或薄鐵片，5分鐘后取出淬火，若具有高碳(～0.6%C)火花，則認為排氣結(jié)束;強滲初期(10～15分鐘)的溫度，滴劑配比和滴量與排氣后期相同，短時間在高碳勢氣氛(CP＝1.35 1.45%C)下強滲不僅不形成過量的碳黑，而且有利于改善滲碳均勻性和達到強滲目的;建立高碳勢氣氛后調(diào)整滴劑配比、滴量和溫度，使0＃和1＃滴劑的滴量分別為8和2毫升/分(相應(yīng)CP＝1.25%C)溫度降低830～850℃，持續(xù)70～110分鐘，以迅速提高鋼件表面的碳含量和在滲層建立起較大的碳濃度梯度;擴散期只滴入2-4毫升/分的0＃滴劑，并把溫度升高到850～880℃此時，CP＝0.75～0.85%C，NP＝0.03～0.10%N。擴散120～180分鐘后，若總滲層厚度達到約0.8毫米，則把溫度降低到810～850℃，使鋼件在爐內(nèi)預(yù)冷30～60分鐘后，出爐進行熱油-溫油或熱油-水分級淬火。熱油的溫度100～140℃，鋼件在熱油中停留5～30分鐘后，取出在室溫或水中繼續(xù)冷卻。
若對碳化物形態(tài)沒有要求，則可在820-880℃范圍內(nèi)某一溫度下進行變碳勢滲碳，形狀簡單的鋼件和材料為碳鋼的在擴散后可直接出爐淬油或水。
對于滲層厚度為1.20～2.00毫米的鋼件，本發(fā)明采用微氮中溫循環(huán)變碳勢工藝溫度為850～890℃，排氣及其檢測方法，強滲和擴散所用滴劑配比及滴量與上述相同。但是該工藝由2-5回合強滲-擴散所組成。每次強滲后碳化物級別≤5級，經(jīng)擴散后為1～4級。滲碳層厚度為1.30～1.50毫米，所需滲碳總時間為9～11小時。爐內(nèi)預(yù)冷和淬火方法可參照上述進行。
對于截面厚度相差十分懸殊的齒輪或其它鋼件，宜在薄壁處外加上補差鋼圈(塊)以補償壁厚和熱容量的差異。
為了減少復(fù)雜形狀齒輪的熱處理變形，滲層厚度和碳化物級別應(yīng)控制在技術(shù)要求的下限。滲層內(nèi)平緩的碳勢度分布也有利于減少變形。
滲碳淬火用的裝吊具應(yīng)保證爐氣循環(huán)暢通，且有相當(dāng)剛度。裝夾滲碳鋼件時應(yīng)避免或減少因自重而造成的應(yīng)力。若裝吊具的承載面與鋼件的平面相接觸，則要求承載面有小的不平度。并注意鋼件在裝吊具上擺放方式。
本發(fā)明表明，與原工藝(920℃煤油氣體滲碳，下同)相比，可縮短滲碳時間約25%;實現(xiàn)直接淬火，取消滲碳后鹽浴爐重新加熱淬火，節(jié)電30～40%。由圖2可知，經(jīng)圖1所示工藝處理后滲層厚度約0.8毫米。比較圖1和3，可見在相近滲層厚度情況下，本發(fā)明滲碳時間至少縮短25%。
本發(fā)明表明，工藝穩(wěn)定，再現(xiàn)性好。西北-15型拖拉機上齒輪硬度差別≤5HRC，同一齒輪上硬度波動≤3RC。碳化物級別為1～4級;殘余奧氏體+馬氏體級別為1～4級;心部鐵素體3級。齒輪熱處理后精度損失在1個級差以內(nèi);花鍵孔精度可高于D4.5級;各種螺旋錐齒輪(農(nóng)用汽車、拖拉機、鐵路工程機械和裝載機上的齒輪)應(yīng)用本發(fā)明滲碳和自由淬火后，精度都達到或優(yōu)于圖紙技術(shù)要求。
金相顯微分析表明，應(yīng)用本發(fā)明后滲層內(nèi)不出現(xiàn)異常組織(指空洞和屈氏體);內(nèi)氧化深度和程度分別比原工藝低 1/2 和 1/3 。圖4和5示出經(jīng)新工藝處理后距20CrMnTi試樣表面0.004毫米晶界處的俄歇能譜儀分析曲線，可見經(jīng)新工藝處理后Co3和Cr含量比原工藝分別低 1/3 和 1/4 。淬透性試驗表明，新工藝處理后滲層具有更好的淬透性。在滲層內(nèi)顯微硬度由表及里平緩地降低(見圖6)。
力學(xué)性能試驗表明，與原工藝相比本發(fā)明處理后試樣的耐磨性有大幅度提高(見圖7);齒輪的單齒脈沖彎曲疲勞提高15%(見圖3);條件接觸疲勞增高20%(見圖9);其它力學(xué)性能(單齒靜彎曲、薄片靜彎曲、扭轉(zhuǎn)和沖擊韌性)也有所改善。
例1、153圓柱從動齒輪(全稱12、37、135齒輪、略去12、37下同);材料是20CrMnTi或20CrMnM
鋼(以下若不說明，則為這兩種鋼)。它是西北-15型拖拉機上最重(5.45公斤)，最大(φ246毫米)的齒輪，m＝4，Z＝61。應(yīng)用圖10所示的本發(fā)明工藝后，取得滿意的經(jīng)濟技術(shù)效果(見表1)。
例2、134齒輪，Z＝37，m＝3，花鍵孔技術(shù)要求為φ32D(+0.05)4。應(yīng)用圖10所示工藝處理后，K為1～3級，M+A′為1～3級，F(xiàn)為1級;滲層厚度為0.82～0.90mm;硬度為HRC58～62;花鍵孔收縮0.01～0.03mm。將拉刀尺寸修改為φ32.04+0.027mm后，花鍵孔精度達到D4。
153齒輪經(jīng)不同熱處理后情況見表3。
表1、153齒輪經(jīng)不同熱處理后技術(shù)指標的比較
例3、138齒輪是雙聯(lián)齒輪，小輪和大輪的齒數(shù)Z分別為21和10，m＝3，采用圖3所示工藝處理后，金相組織，有90%齒輪的花鍵孔精度達到D4，10%為D45(見圖11)。齒輪的其它精度可達到技術(shù)要求。
例4、手用鋼絲鉗，材料為A3鋼，采用圖12所示工藝處理后，鉗口平均硬度為HRC62～64，剪切性能和抗彎強度優(yōu)于原工藝。
例5、紡織機械上羅拉，材料為20鋼，采用圖3所示工藝，裝爐量為101根羅拉(重176.8公斤)，結(jié)果如表2所示，可見本發(fā)明在920℃下應(yīng)用時，也將取得良好的效果。
表2、拉經(jīng)新原工藝的比較
例6、低碳鋼銼刀，材料為20鋼。主要加工工序為下料-鍛坯-粗磨-剁齒-滲碳和直接淬火-回火。-采用圖14所示工藝，硬度為HRC62-65。切削性能試驗表明，該銼刀有良好的耐磨性。
例7、鐵路工程機械上螺旋從動錐齒輪，外、內(nèi)徑分別為φ292.6和181毫米，高42.7毫米，節(jié)園上端模數(shù)為10，齒數(shù)為29。主要技術(shù)要求是滲層厚度＝1.2～1.6毫米;齒輪部分硬度HRC56～60;背端面不平度≯0.12毫米。
采用微氮中溫循環(huán)變碳勢滲碳總時間為8～10小時，滲層達1.30～1.40毫米;硬度為HRC58～60;變形情況見表3，可見滲碳自由淬火后橢圓度≤0.08毫米;背端面的不平度基本上沒有變化最大值≤0.10毫米;齒形，齒向和螺旋角變化小，可以方便地與主動螺旋錐齒輪配對，并達到接觸區(qū)的技術(shù)要求。
表3 鐵路工程機械上螺旋從動錐齒輪的熱處理變形情況
例8、ZL-50裝載機上螺旋從動錐齒輪，它是關(guān)鍵零件。外徑和內(nèi)徑分別為φ388和262毫米，高度為47毫米。主要熱處理技術(shù)要求滲層厚度1.2～1.6毫米，表面硬度HRC58～62，心部硬度HRC33～48，背端面外、內(nèi)側(cè)的不平度分別小于0.075和0.152毫米。
在齒輪內(nèi)圈加上合適形狀和尺寸的補差圈，經(jīng)微氮中溫循環(huán)變碳勢滲碳、熱油-室溫油分級淬火(不施外加壓力)和回火后，橢圓度僅0.17毫米，背端面外側(cè)和內(nèi)側(cè)的不平度分別小于0.07和0.10毫米，同時達到其他技術(shù)要求。
圖面說明，圖1，日本專利“昭55-44153的”擴散式特殊碳-氮共滲工藝曲線;圖2，普通(曲線b)和“擴散式特殊碳-氮共滲”(曲線a)處理后顯微硬度分布曲線的比較;圖3，適用于0.80～1.20毫米滲層厚度的20CrMnTi或20CrMnM
鋼齒輪的本發(fā)明工藝曲線(在RJJ-75型爐內(nèi)進行，下同)圖4，經(jīng)圖3工藝處理后在距表面0.004mm的晶界處的俄歇能譜儀分析曲線;圖5，經(jīng)原工藝處理后在距表面0.004mm的晶界處的俄歇能譜儀分析曲線;圖6，經(jīng)新工藝處理后的20CrMnTi鋼齒輪在節(jié)園處顯微硬度分布曲線比較;圖7，經(jīng)新原工藝處理試樣耐磨性的比較;圖8，經(jīng)新原工藝處理后118齒輪的單齒脈沖彎曲疲勞曲線的比較;圖9，經(jīng)新原工藝處理后試樣的條件接觸疲勞曲線的比較;圖10，153齒輪的滲碳工藝曲線;圖11，經(jīng)本發(fā)明工藝處理前后138齒輪花鍵孔尺寸的比較;圖12，手用鋼絲鉗的滲碳工藝曲線;圖13，羅拉滲碳工藝曲線;圖14，低碳鋼銼刀的滲碳工藝曲線。
權(quán)利要求
1.微氮中溫氣體滲碳工藝之一適用于滲碳層厚度為0.5～1.0毫米的鋼件，是通過變碳勢變溫度而實現(xiàn)，其特征在于(a)滲層內(nèi)含有≤0.10%N；(B)以火花鑒別法判定排氣終點；(C)利用用O#和1#滴劑進行排氣、強滲和擴散；(d)爐內(nèi)預(yù)冷后熱油-室溫油(水)分級淬火。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1(b)所述的以火花鑒別法判定排氣終點，其特征是把低碳鐵絲或薄鐵片從試樣孔放入，5分鐘后取出淬火，若具有高碳火花，則認為排氣完成。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1(C)所說的0＃滴劑，其特征是1升工業(yè)用乙醇中添加3-10毫升四氯化碳和15-25毫升甲酰胺。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1(C)所說的1＃滴劑，其特征是1升滲碳用煤油中添加3-10毫升四氯化碳和10-20毫升苯。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1(d)所述的爐內(nèi)預(yù)冷后熱油-室溫油(水)分級淬火，其特征是滲碳鋼件預(yù)冷到鋼的AC溫度附近并保溫0.5-1小時后，在溫度為100-140℃的熱油中停留5-30分鐘后，于室溫油或水中繼續(xù)冷。
6.微氮中溫氣體滲碳工藝之二適用于滲層厚度為1.20-2.00毫米的鋼件，其特征是通過2-5回合的強滲-擴散而實現(xiàn)。
專利摘要
微氮中溫氣體滲碳是鋼件表面硬化新工藝。普通滲碳淬火后鋼件變形較大，碳—氮共滲后易出現(xiàn)異常組織，使鋼件壽命降低。本發(fā)明采用了合理的滴劑、工藝和其他措施；處理后鋼件表面不出現(xiàn)異常組織；力學(xué)性能提高15％以上；齒輪精度損失在一個級差以內(nèi)，花鍵孔精度高于D4.5；從動螺旋錐齒輪的不平度和橢圓度小于0.20mm。滲層厚度為0.50～2.00mm的鋼件都可采用本發(fā)明。
文檔編號C23C8/06GK85100188SQ85100188
公開日1988年8月10日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者林建生, 駱光林, 張振華, 吳明昭 申請人:陜西機械學(xué)院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan