专利名称：一种表面高硬度高耐磨零件的加工方法
技术领域：
本发明涉及一种零件的加工方法，尤其涉及一种表面高硬度高耐磨零件的加工方法。
背景技术：
一般来说，小而复杂的零件，比如说用于链条装配机的零件，对尺寸精度的要求都比较高，且还需要具有高硬度高耐磨性等性能。到目前为止，一般都是采用优质高碳钢材料经下料、粗磨平面、加工孔槽等尺寸、淬火、精磨平面、线切割头部形状等工序才能获得符合要求的小零件，虽然高碳钢材料淬火后能满足小零件对高硬度高耐磨的要求，但是高碳钢材料在淬火状态下极容易变形，这样就会缩短零件的使用寿命，更为严重的是，因为淬火前所留余量是有一定限制的，变形过大的零件就只能报废处理，这样造成了材料的浪费，耗时耗力，生产成本也相应增加；且因为零件淬火前要粗磨平面，淬火后还要对零件进行精磨平面，而精磨比粗磨耗时更多，砂轮磨损更大，这样也造成了加工高硬度高耐磨零件耗时增·力口，且对磨床砂轮和零件的磨损更大，工作效率低。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中采用高碳钢材料加工表面高硬度高耐磨零件在淬火状态下极容易变形，会缩短零件的使用寿命，更可能直接导致将变形过大的零件作报废处理，造成对浪费的材料，生产成本增加、耗时耗力，且对磨床砂轮的磨损增大，工作效率低等上述缺陷，提供一种对材料利用率高、省时省力、能降低对磨床砂轮和零件的磨损以及工作效率高的表面高硬度高耐磨零件的加工方法，且该方法加工的零件使用寿命长。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种表面高硬度高耐磨零件的加工方法，采用中碳钢作为工件原料；将工件原料依次按以下工艺步骤处理下料、磨平面、力口工孔槽、线切割和氮化处理；所述氮化处理工艺包括如下步骤(I)将工件置于加热炉内，且工件之间保持Imm以上的间隙；(2)向加热炉内充氨气，在循环流动的氨气气氛中均匀加热至450-500° C，恒温120-180 分钟；(3)待加热炉冷却至200° C以下时，将工件调出加热炉外冷却至常温。在本发明所述的表面高硬度高耐磨零件的加工方法中，步骤(2)充氨气后，加热炉内氨气占总容量的50%-80%，氧气占O. 1%-0. 9%，其余为氮气。在本发明所述技术方案中，表面高硬度高耐磨零件是采用中碳钢系列材料作为工件原料制成的。因为高碳钢热处理后可以得到高硬度和较好的耐磨性，退火状态下硬度适中，还具有较好的可切削性，且高碳钢材料易得，所以目前在表面高硬度高耐磨零件的生产过程都基本都采用高碳钢作为原材料，但是高碳钢的冷塑性变形能力差，由于含碳量高，淬透性低，水淬时完全淬透的直径一般仅为15-18mm,油淬时完全淬透的最大直径或厚度(95%马氏体)仅为6mm左右，并易变形开裂，又因为在淬火前板材所留余量是有一定限制的，这样就可能因为变形过大时零件不能使用，只能报废处理；而中碳钢具有一定的塑形、韧性和强度，切削性良好，调质处理后有很好的综合力学性能，本发明中采用中碳钢系列材料，如40Cr中碳钢，进行氮化处理，经过对成品的检测，采用中碳钢系列材料按照本发明所述技术方案进行处理后获得的零件表面硬度为700-840HV0. 2，渗氮层厚度为O. 3-0. 38mm,故由此可证明采用本发明所述技术方案进行加工不仅显著提高了零件表面硬度、耐磨性、抗腐蚀和疲劳性能，而且零件表面渗氮层厚度也达到了所需要求；并且氮化处理时温度控制在450-500° C，温度比较低，渗氮时模具芯部没有发生相变，因此变形较小，一方面可以避免高碳钢因为淬火后变形过大而导致报废的后果，保证了零件比较长的使用寿命，也在一定程度上提高了对材料的利用率，另一方面也因为变形较小使得在下料时所留余量可以比较小，也提高了材料利用率；另外，采用本发明所述技术方案对工件进行处理时，只需要对工件进行一次磨平面，在氮化处理后因为变形量小，零件可一次性加工到成品尺寸，不需要留精磨余量进行二次加工，从而降低了对平面磨床砂轮和零件的磨损，提高了工作效率，省时省力。在本发明所述表面高硬度高耐磨零件的加工方法中，将中碳钢材料进行氮化处理前要依次按如下工艺步骤进行处理下料、磨平面、加工孔槽以及线切割，在本发明中，以上工艺步骤均为公知技术，采用本领域中常规工艺步骤即可实现本发明所述技术方案。其中，下料就是将板材零件用剪板机按图纸尺寸放余量切断，在下料之前，如果材料表面比较光滑、平整，则只需要在宽度、厚度和长度方向留平磨余量，如果材料表面有毛边或其他不平整光滑的情况，则在下道工序前还要利用铣床对板材进行铣平面，所以在宽度、厚度以及长度方向所留余量就适当大些，总之在实际生产中，宽度、厚度以及长度方向所留余量还要根据实际情况而定。另外，在此工艺步骤中所采用的剪板机也为公知技术，采用常规的剪板机即可实现此工艺步骤。在本发明所述技术方案中，在下料工艺完成后，就要对工件进行磨平面，即采用平面磨床对下料后的中碳钢板材进行磨平面，在本发明中，只需要对中碳钢板材厚度方向双面和宽度方向双面以及长度一面进行平面磨削，磨削过程中保证中碳钢板材工件面与面之间保持相互平行或垂直。另外，在本工艺步骤中所采用的平面磨床也是公知技术，本领域中常规的平面磨床皆可很好地完成本工艺步骤，例如M7132H平面磨床。在本发明所述技术方案中，在磨平面工艺完成后，就要根据零件尺寸要求对工件加工孔槽，包括钻孔、攻螺纹以及加工槽等。在本发明所述技术方案中，在加工孔槽工艺完成后，因为对零件尺寸精度要求较高，所以还要采用线切割机床对工件进行线切割，在本工艺步骤中采用的线切割机床也是公知技术，采用本领域中常规的线切割机床就可以完成该工艺步骤，比如DK7716线切割机床。在本发明所述表面高硬度高耐磨零件的加工方法中，在工件完成上述工艺步骤后，最关键的工艺是对工件表面进行氮化处理首先将工件悬挂置于加热炉内，并使得工件间保持适当距离，在本发明所述技术方案中，工件之间的距离优选为Imm以上，这样一方面能保证加热炉内其他的循环流通和炉内温度均匀，另一方面可以避免因为工件受热后变形膨胀使得工件之间粘在一起，影响产品质量；其次是向加热炉内通氨气，以此来驱除加热炉内的空气；在充完氨气后，在循环流动的氨气气氛中均勻加热至450-500° C,温度若低于450° C，则不能进行氮化处理，而若超过500° C，通过氮化处理的加热，其时效进一步进行而成为过时效，使马氏体析出，工件的表面硬度有所降低。在本发明所述技术方案中，当流量表显示加热炉内气体为氨气、氧气和氮气的混合气体时，将工件在450-500° C温度范围内恒温120-180分钟，若工件恒温的时间低于120分钟，则工件表面氮浓度低，化合层偏薄，渗氮层厚度达不到实际生产对零件渗氮层厚度的要求，组织不致密，导致工件的抗磨性能差；若工件恒温的时间超过180分钟，通过氮化处理的加热，渗氮层脆性会增大，使得工件整体韧性降低。当工件在450-500° C范围的温度下保持120-180分钟后，工件随加热炉冷却，此时加热炉内不允许有空气进入，冷却到一定温度时，将夹具及工件平稳地调出加热炉，空冷至常温状态；较佳地，当工件随加热炉冷却低至200° C以下时，才能将工件调出加热炉，如若在工件温度还未降至200° C以下就将其调出加热炉外空冷，工件表面就会产生氧化色，工件表面甚至可能会出现微裂纹。 作为对本发明所述技术方案的一种改进，加热炉内气体为氨气、氧气和氮气的混合气体，且这三种气体所占容量比优选为氨气容量占50%-80%，氧气容量占O. 1%-0. 9%，其余为氮气时；通过这样做，由于氨气的分解而生产的氮气则在工件表面扩散，在工件表面形成渗氮层。此时，虽然通过氨气的分解，同时生产氮气和氢气，但氢气的分压一旦变高，则氨气的分解将被抑制，或者因为氢气和氮气的再结合，而阻碍氮化。因此，在本发明所述技术方案中，通过使混合气体中占用适当容量比例的氧气，而使氢气与该氧气结合，以水的状态将之除去到系统之外，可以促进氨气的分解。在本发明所述表面高硬度高耐磨零件的加工方法中，如果氨气的容量未满50%，则无法充分形成渗氮层，从而不能对工件表面赋予所要达到的硬度；另一方面，如果氨气的容量超过80%，则所生成的氮气的量出现过剩，在工件的金属组织中形成氮化铁等化合物，导致氮化不够均匀，这是所不希望的。另外，如果混合气体中所含有的氧气的容量未达到O. 1%，则无法充分得到该氧气与氢气结合以出去该氢气的效果；另一方面，若氧气的容量超过O. 9%,在工件的金属组织中形成氧化物，或者，过分促进氨气的分解，以致所生产的氮的量出现过剩，这也是所不希望的。较佳地，加热炉内的温度是均匀的，随时使零件保持在均匀温度条件下，使其一直处于循环流动的气氛当中，这样一来，无论是加热或冷却传导，都能控制零件在氮化处理过程中的形变，同时保证零件在同一温度条件下，渗入中碳钢材料表面的氮原子具有相同的扩散速率，使渗氮层的结构组织均匀分布。本发明的有益效果是提供了一种表面高硬度高耐磨零件的加工方法，该零件加工方法具有对材料利用率高、省时省力、降低对磨床砂轮和零件的磨损以及工作效率高等优点，且该加工方法加工的零件的使用寿命长。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明优选实施例如下实施例I :采用40Cr中碳钢作为工件原料，将工件原料依次按以下工艺步骤处理第一步，下料将40Cr中碳钢板材按图纸尺寸放余量用剪板机切断，宽度方向双面放余量2-3mm，长度放4_5mm ;利用XA5032立式升降台铣床加工，宽度方向留平磨余量O. 4-0. 5mm,长度方向留余量3_4mm ；第二步，磨平面，利用M7132H平面磨床将经过第一步后的40Cr中碳钢工件对其厚度方向2个面、宽度方向2个面以及长度方向I个面进行平面磨削，使尺寸达到图纸尺寸要求，并且保证面与面之间保持垂直或平行；第三步，加工孔槽，在经过第二步后的40Cr中碳钢工件上按照要求加工孔槽；·第四步，线切割，采用DK7716线切割机床对经过第三步后的40Cr中碳钢工件按照尺寸要求进行线切割；第五步，氮化处理，包括如下工序(I)将完成上述四步工序后的40Cr中碳钢工件悬挂置于加热炉内，且40Cr中碳钢工件间保持Imm以上间隙，保证加热炉内的气体循环流通和炉内温度均匀；(2)向加热炉内充氨气以驱除空气，然后缓慢升温至450° C，当流量表显示加热炉内气体含量为氨气容量占50%，氧气容量占O. 5%，其余为氮气，在此气氛下，将40Cr中碳钢工件在450° C的处理温度下恒温保持180分钟；(3)在40Cr中碳钢工件随加热炉冷却至200° C时，将夹具和中碳钢工件平稳地调出加热炉外，冷却至常温。在加工获得成品后，本发明对零件的硬度和渗氮层厚度进行了检测，其中，对成品硬度检测采用的是HXD-1000TMC维氏硬度计，对成品渗氮层厚度检测采用的是金相显微镜4XC。硬度检测方法为以200N的负荷，将相对面夹角为136°的方锥形金刚石压入器压材料表面，保持规定时间后，用测量压痕对角线长度，再按公式来计算硬度的大小，试验力除以压痕表面积的商就是维氏硬度值，其计算公式为HV=常数*试验力/压痕表面积，式中，HV是维氏硬度符号，一般常数值选取为O. 1891，压痕表面积单位为mm2，可以根据压痕对角线长度通过查表可得到维氏硬度值，国家标准规定维氏硬度压痕对角线长度范围为O. 020-1. 400mm ;渗氮层厚度采用金相法检验，即在放大100倍或200倍的显微镜下，从式样表面沿垂直方向测至与基体组织有明显的分界处的距离，该距离即为渗氮层厚度。按照上述检测方法和设备，即采用HXD-1000TMC维氏硬度计和金相显微镜4XC对成品的表面硬度和渗氮层厚度进行了检测，检测结果为表面硬度为700HV0. 2，渗氮层厚度为 O. 38mm。实施例2 同实施例1，采用40Cr中碳钢作为工件原料，将该工件原料依次按以下工艺步骤处理下料、磨平面、加工孔槽、线切割和氮化处理，其中下料、磨平面、加工孔槽和线切割前四步工序同实施例I，第五步氮化处理包括如下工序(I)将完成上述四步工序后的40Cr中碳钢工件悬挂置于加热炉内，且40Cr中碳钢工件间保持Imm以上的间隙，保证加热炉内的气体循环流通和炉内温度均匀；(2)向加热炉内充氨气以驱除空气，然后缓慢升温至480° C，当流量表显示加热炉内气体含量为氨气容量占65%，氧气容量占O. 5%，其余为氮气，在此气氛下，将40Cr中碳钢工件在480° C的处理温度下恒温保持150分钟；(3)在40Cr中碳钢工件随加热 炉冷却至200° C时，将夹具和40Cr中碳钢工件平稳地调出加热炉外，冷却至常温。在加工获得成品后，采用与实施例I中相同的检测方法和设备对成品的表面硬度和渗氮层厚度进行了检测，检测结果为表面硬度为720HV0. 2，渗氮层厚度为O. 35mm。实施例3 如同实施例1，采用40Cr中碳钢作为工件原料，将40Cr中碳钢工件原料依次按以下工艺步骤处理下料、磨平面、加工孔槽、线切割和氮化处理，其中下料、磨平面、加工孔槽和线切割前四步工序同实施例I，第五步氮化处理包括如下工序(I)将完成上述四步工序后的40Cr中碳钢工件悬挂置于加热炉内，且40Cr中碳钢工件间保持Imm以上的间隙，保证加热炉内的气体循环流通和炉内温度均匀；(2)向加热炉内充氨气以驱除空气，然后缓慢升温至500° C，当流量表显示加热炉内气体含量为氨气容量占80%，氧气容量占O. 9%，其余为氮气，在此气氛下，将40Cr中碳钢工件在500° C的处理温度下恒温保持120分钟；(3)在40Cr中碳钢工件随加热炉冷却至200° C时，将夹具和40Cr中碳钢工件平稳地调出加热炉外，冷却至常温。在加工获得成品后，采用与实施例I相同的检测方法和检测设备对成品的表面硬度和渗氮层厚度进行了检测，检测结果为表面硬度为820HV0. 2，渗氮层厚度为O. 3mm。实施例4 继续采用40Cr中碳钢作为工件原料，将该工件原料依次按以下工艺步骤处理下料、磨平面、加工孔槽、线切割和氮化处理，其中下料、磨平面、加工孔槽和线切割前四步工序同实施例I，第五步氮化处理包括如下工序(I)将完成上述四步工序后的40Cr中碳钢工件悬挂置于加热炉内，且40Cr中碳钢工件间保持Imm以上的间隙，保证加热炉内的气体循环流通和炉内温度均匀；(2)向加热炉内充氨气以驱除空气，然后缓慢升温至490° C，当流量表显示加热炉内气体含量为氨气容量占80%，氧气容量占O. 9%，其余为氮气，在此气氛下，将40Cr中碳钢工件在490° C的处理温度下恒温保持130分钟；(3)在40Cr中碳钢工件随加热炉冷却至190° C时，将夹具和40Cr中碳钢工件平稳地调出加热炉外，冷却至常温。经过上述工序获得成品后，继续采用和实施例I相同的检测方法和设备对所获成品的表面硬度和渗氮层厚度进行了检测，检测结果为表面硬度为840HV0. 2，渗氮层厚度
为O. 3臟。实施例5 采用40Cr中碳钢作为工件原料，将工件原料依次按以下工艺步骤处理下料、磨平面、加工孔槽、线切割和氮化处理，其中下料、磨平面、加工孔槽和线切割前四步工序同实施例I，第五步氮化处理包括如下工序
(I)将完成上述四步工序后的40Cr中碳钢工件悬挂置于加热炉内，且40Cr中碳钢工件间保持Imm以上的间隙，保证加热炉内的气体循环流通和炉内温度均匀；(2)向加热炉内充氨气以驱除空气，然后缓慢升温至460° C，当流量表显示加热炉内气体含量为氨气容量占75%，氧气容量占O. 8%，其余为氮气，在此气氛下，将40Cr中碳钢工件在460° C的处理温度下恒温保持170分钟；(3)在40Cr中碳钢工件随加热炉冷却至180° C时，将夹具和40Cr中碳钢工件平稳地调出加热炉外，冷却至常温。在加工获得成品后，采用与上述实施例相同的检测方法和设备，检测结果为表面硬度为740HV0. 2，渗氮层厚度为O. 35mm。从实施例I到实施例5的检测结果可以看出，本发明所述表面高硬度高耐磨零件表面硬度达到了 700-840HV0. 2，渗氮层厚度在O. 3-0. 38mm范围内，故证明了本发明所述零件具有表面硬度高、耐磨性好的优点，也达到了实际生产需要对本发明所述零件的要求。 另外，从上述实施例可以看出，中碳钢工件在经过氮化处理后因为变形量小，可一次性加工为成品尺寸，不需要对经过上述五步工艺后的中碳钢工件进行精磨，减少了工序，省时省力，提高了工作效率。
权利要求
1.一种表面高硬度高耐磨零件的加工方法，其特征在于，采用中碳钢作为工件原料；将工件原料依次按以下工艺步骤处理下料、磨平面、加工孔槽、线切割和氮化处理；所述氮化处理工艺包括如下步骤 (1)将工件置于加热炉内，且工件之间保持Imm以上的间隙； (2)向加热炉内充氨气，在循环流动的氨气气氛中均匀加热至450-500°C，恒温120-180 分钟； (3)待加热炉冷却至200°C以下时，将工件调出加热炉外冷却至常温。
2.根据权利要求I所述的表面高硬度高耐磨零件的加工方法，其特征在于，所述步骤(2)充氨气后，加热炉内氨气占总容量的50%-80%，氧气占0. 1%-0. 9%，其余为氮气。
全文摘要
本发明公开了一种表面高硬度高耐磨零件的加工方法，采用中碳钢作为工件原料；将工件原料依次按以下工艺步骤处理下料、磨平面、加工孔槽、线切割和氮化处理；所述氮化处理工艺包括如下步骤(1)将工件置于加热炉内，且工件之间保持1mm以上的间隙；(2)向加热炉内充氨气，在循环流动的氨气气氛中均匀加热至450-500°C，恒温120-180分钟；(3)待加热炉冷却至200°C以下时，将工件调出加热炉外冷却至常温。本发明的有益效果是提供了一种表面高硬度高耐磨零件的加工方法，该零件加工方法具有成本低、对材料利用率高、省时省力、降低对磨床砂轮和零件的磨损以及工作效率高等优点，且该加工方法加工的零件的使用寿命长。
文档编号C23C8/26GK102814625SQ20121029970
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月21日 优先权日2012年8月21日
发明者陈红梅, 许丽丽, 高传琴 申请人:南京利民机械有限责任公司