一种降低低碳合金钢零件在渗碳淬火后的非马氏体组织深度的方法与流程

本发明涉及低碳合金钢的热处理方法，具体涉及一种降低低碳合金钢零件在渗碳淬火后的非马氏体组织深度的方法。

背景技术：

一般低合金钢零件通过渗碳再淬火后，零件表面最理想的组织应该为细针状高碳马氏体，但因为许多不可控的因素，在零件表面形成了贝氏体、屈氏体(珠光体类)等一些非马氏体的混合组织，称之为非马氏体组织，习惯上称为“非马”组织。非马氏体组织深度如果超标严重，反映在力学性能上就是出现零件表面硬度低的现象，会影响到零件表面的硬度梯度。“非马”组织金相组织观察的方法通常为试样不腐蚀或轻腐蚀，但对于具体的操作方法，目前国内尚没有明确的规范。非马氏体组织的形貌可简单分为三类：黑点、黑网、黑带。三种不同形貌的形成机理、略有差别，深层次本质原因尚无准确定论。其中黑点常见于碳氮共渗工艺中，产生的原因可能是由于碳氮共渗初期炉气氮势过高，渗层中氮含量过大，碳氮共渗时间较长时，碳浓度增高，发生氮化物分解及脱氮过程，原子氮变成分子氮而形成孔洞。目前国内有人提出如下结论，认为非马氏体组织的形成存在一定转变顺序:铁素体块→铁素体块+初生托氏体网(第一条黑网)→初生托氏体网(黑带)→初生托氏体网+马氏体(第二条黑网)→马氏体+贝氏体。

总之现在普遍认为“非马”组织通常是由于渗碳过程中的内氧化所致。现在国内主要是通过两个途径来控制非马氏体组织的生成：一是尽量减少会优先选择性氧化的元素；二是减少渗碳气氛的氧化性组分(如降低氧分压等)。常用的方法有提高设备的密闭性，控制气氛中的水分含量，控制渗碳辅料中的氧化物质等。当前控制非马组织效果最好的是使用真空设备，但是真空设备投资大，对于附加值较低的产品，从生产成本考虑并不适用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种降低低碳合金钢零件在渗碳淬火后的非马氏体组织深度的方法。本发明通过对普通气氛炉内气氛的控制以达到降低非马组织的深度的目的，从而达到产品的使用性能。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种降低低碳合金钢零件在渗碳淬火后的非马氏体组织深度的方法，包括以下步骤：

(1)升温至该材质所需的渗碳温度，此温度下共分为两段，渗碳与扩散；

(2)随后降温至淬火温度进行保温；

(3)最后将零件下油淬火；

所述渗碳过程全程通入液化气、甲醇和氮气。

普通气氛炉由于不密封，所以零件容易在其中氧化。非马的主要形成原因主要是由于内氧化所造成的，是由炉内气氛中的氧渗入到零件表面，与零件中的合金元素发生反应形成氧化物造成的。为解决零件表面的氧化问题，可在零件渗碳淬火的整个过程中通入N2，氮气是很稳定的气体不易分解，不会对零件产生影响，通入氮气，可以加大炉内的气氛置换。所以可以减少零件表面的氧化。

上述的方法，优选的，所述氮气的通入流量为1.8±0.2L/h。氮气通入量过多，会置换过多的渗碳剂气体，大大降低渗碳效率，使得渗碳时间延长，成本增高。氮气通入量过少，置换效果减弱，控制产品表面氧化的效果降低。

上述的方法，优选的，扩散结束后从降温开始通入氨气，氨气的通入流量为5±1L/min。氨气极不稳定，容易分解出活性比较高的氮原子，活性高的氮原子很容易渗入到零件表面并且向内扩散，一定程度上组织了零件表面合金元素的氧化析出，提高了零件表面的淬透性，从而阻止了非马氏体组织的产生。扩散结束后，表面渗碳工作已经完成，此阶段容易阻止零件表面合金元素的氧化析出。氨气的通入量太多造成浪费，通入量太少，分解出的活性氮原子不足，会使控制非马氏体组织的效果大大降低。

上述的方法，优选的，所述步骤(1)中，所述渗碳与扩散阶段的温度为920℃±5℃。此温度根据材料而定，温度过高会造成产品晶粒粗大，降低产品的机械性能，温度过低渗碳速度过慢，增加生产成本。

上述的方法，优选的，所述步骤(1)中，所述渗碳与扩散阶段的时间比为2:1。强渗阶段需要提高产品表面碳浓度，而扩散是使表面的碳元素向芯部扩散，时间不宜过长，扩散阶段的时间为强渗阶段时间的一半为最佳。

上述的方法，优选的，所述步骤(1)中，所述渗碳阶段碳势为1.20±0.05％，所述扩散阶段碳势为0.85±0.05％。强渗阶段碳势过高会导致产品表面碳化物过多，碳势太低渗碳速度减慢，增加生产成本。扩散阶段选择一个适中的碳势，主要因为经过强渗，产品表面的碳浓度很高，需要使碳元素向产品内部扩散。

上述的方法，优选的，所述步骤(2)中，所述淬火温度为850℃±5℃；所述保温时间为25-35min。保温时间是根据产品的大小以及数量来决定的。淬火温度是根据材料来决定的，温度过高导致残奥增多，产品性能下降，温度过低，导致产品芯部硬度、表面硬度难以达到要求。

上述的方法，优选的，所述步骤(3)中，所述油温为55℃-75℃；所述油中保持时间为20-30min。温度太高，芯部硬度淬不起，温度太低，导致芯部硬度过高，产品韧性下降。保持时间是根据产品的大小以及数量来决定的。

上述的方法，优选的，所述甲醇的通入流量为3.0-4.0L/h。甲醇在渗碳工艺中起到稀释剂的作用。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明操作简单，流程合理，通过在渗碳淬火的整个过程中通入N2与在扩散结束后通入氨气，来减少零件表面的氧化，并且使用气体成本较低，对于非马组织的控制较好，可操作性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1本发明的工艺流程图。首先在加热到温之后，进行强渗阶段温度920℃±5℃时间设置为200分钟，碳势需要调整至1.20±0.05％，再在同温度下进行扩散处理，时间设置为90分钟(渗碳与扩散的时间比约为2∶1)，碳势需要调整至0.85±0.05％，在结束渗碳扩散阶段后降低温度至850℃保温30分钟，此时需要在850℃进行入油冷却，此渗碳过程全程通入液化气、甲醇、以及1.8L/h的氮气，并且在扩散结束后从降温开始通入氨气5L/min。(LPG指液化气，是在渗碳过程中的渗碳剂。)

图2本发明实施例1使用氮气及氨气进行渗碳淬火式样的金相图片中的非马氏体组织深度。

图3本发明对比例1未使用氮气及氨气进行渗碳淬火式样的金相图片中的非马氏体组织深度。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1：

对某公司所生产的零件进行渗碳并且淬火的加工，材质为20CrMnTi，在对产品清洗后，开始进行渗碳淬火，如图1所示，首先在加热到温之后，进行强渗阶段温度920℃±5℃时间设置为200分钟，碳势需要调整至1.20±0.05％，再在同温度下进行扩散处理，时间设置为90分钟，碳势需要调整至0.85±0.05％，在结束渗碳扩散阶段后降低温度至850℃保温30分钟，此时需要在850℃进行入油冷却，此渗碳过程全程通入液化气、甲醇、以及1.8L/h的氮气，并且在扩散结束后从降温开始通入氨气5L/min。

检测该产品的结果，如图2所示，非马深度为15um以下，满足客户要求的20um以下的要求。

对比例1：

除了未使用氮气及氨气进行渗碳淬火以外，重复实施例1的步骤来对某公司所生产的零件进行渗碳并且淬火的加工。检测该产品的结果，如图3所示，非马氏体组织达到了约33.06um。

对两种状态的非马氏体组织做出对比，未使用氮气及氨气进行渗碳淬火的式样，非马氏体组织达到了约33.06um，而在使用了氮气及氨气进行的渗碳淬火的过程非马氏体组织达到了13.13um。两张图片均采用了浅腐蚀的方式在显微镜下观察其非马氏体组织的深度。可以从图片中看出，非马氏体组织的差别很明显，所以可以得出对渗碳淬火的此次技术有很明显的改进效果。