专利名称：提高钢材料工件氮碳共渗强化层性能的热处理工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属材料表面处理工艺，具体涉及提高钢材料工件氮碳共渗强化层性能的热处理工艺。
背景技术：
现代工业的发展对材料性能要求越来越高，既要求材料基体具有高强度高韧性又要求表面具有更高的硬度、耐磨性、耐腐蚀性等。氮化作为一种有效的表面强化技术在生产中已经有广发的应用，例如工模具的表面氮化。渗氮的方法有许多种，分为气体渗氮、固体渗氮、液体渗氮、离子渗氮和氮碳共渗等。其中氮碳共渗又叫软氮化且一般在低温下进行。 根据不同的介质，软氮化又分为气体软氮化、液体软氮化、离子软氮化等。尽管软氮化操作简单，效率较高，但是氮化层较薄而且有时出现硬度不够(主要出现在低合金钢的工件上) 或氮化过程中出现柱状晶或脉状组织等缺陷。这些会造成有些氮化工件氮化层薄或氮化层硬度不够或脆而成为废品。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种操作简单、易于实现、且能有效提高钢材料工件氮碳共渗表面强化层性能的热处理工艺。为解决上述技术问题，本发明根据处理对象的不同提出了以下四种不同的技术方案，每项技术方案都是以氮碳共渗后增加奥氏体化处理工艺和等温时效处理工艺为基础， 各个技术方案均属于一个总的发明构思。各技术方案如下
方案一一种提高低碳钢工件氮碳共渗强化层性能的热处理工艺，该工艺包括以下步
骤
(1)奥氏体化处理将经氮碳共渗后的低碳钢工件进行奥氏体化处理，处理时间为
O.5h 9h (优选 2h 9h);
(2)等温时效处理将经奥氏体化处理后的工件再进行等温时效处理，完成热处理工艺。方案二 一种提高中碳钢工件氮碳共渗强化层性能的热处理工艺，该工艺包括以下步骤
(1)奥氏体化处理将经氮碳共渗后的中碳钢工件进行奥氏体化处理，处理时间为
O.5h 2. 5h (优选 40min 2h);
(2)等温时效处理将经奥氏体化处理的工件再进行等温时效处理，完成热处理工艺。方案三一种提高高碳钢工件氮碳共渗强化层性能的热处理工艺，该工艺包括以下步骤
(1)奥氏体化处理将经氮碳共渗后的高碳钢工件进行奥氏体化处理，处理时间为
O.5h 4h ;
(2)等温时效处理将经奥氏体化处理的工件再进行等温时效处理，完成热处理工艺。
方案四一种提高高碳合金钢工件氮碳共渗强化层性能的热处理工艺，该工艺包括以下步骤
(1)奥氏体化处理将经氮碳共渗后的高碳合金钢工件进行奥氏体化处理，处理时间为
0.5h 2 h ；
(2)等温时效处理将经奥氏体化处理的工件再进行等温时效处理，完成热处理工艺。作为对上述各技术方案的进一步改进，奥氏体化处理的工艺过程优选为将经氮碳共渗后的工件放入700°C ±10°C的熔盐(熔盐优选为NaCl、BaCl2和CaCl2的混合盐)或真空中进行奥氏体化处理，按上述各处理时间进行保温后，出炉水冷。作为对上述各技术方案的进一步改进，等温时效处理的工艺过程优选为将经奥氏体化处理的工件放入225°C ±5°C的油浴炉中进行等温时效处理，保温6h 14h，再将所述工件出油浴炉水冷，完成处理。上述各技术方案中，对工件进行奥氏体化处理的保温时间的选取，对工件的性能有着极为重要的影响。上述各技术方案的奥氏体化处理的保温时间主要是通过以下试验确定的
方案一是采用08F钢作为低碳钢试样，共分9组进行试验。先将各低碳钢试样进行等离子氮碳共渗处理(处理5h即可)，此时，预留一组作为对照样，不再进行后续处理，剩下的 8组试样均放入700°C熔盐中进行奥氏体化处理，然后分别保温O. 5h、lh、2h、4h、5h、6h、7h、 9h，最后置入225°C油浴炉进行等温时效处理，保温14h后水冷至室温。在室温条件下，检测对照样和前述处理的8组试样工件的硬度和强化层厚度(试验机为HXD - 1000T型Vickers 硬度试验机，实验载荷为4. 9N,持续时间为15s，每个数值取8个测试点平均值)，硬度检测结果参见图2。由图2可知，随着奥氏体化处理时间的延长，08F钢试样工件的硬度逐渐增大，保温5h时达到峰值，随着保温时间的继续延长，硬度开始降低，直到保温9h时，硬度值仍高于对照样。可见，工件为低碳钢时，奥氏体化处理的保温时间优选为2h 9h。方案二是采用45钢作为中碳钢试样，共分8组进行试验。其中，预留I组作为对照样，剩下7组的试验方法及操作步骤与上述方案一相同，仅仅是在奥氏体化处理的时间上所有差别，即分别保温40min、l. 5h、2h、3h、4h、5h、7h，最后各组试样的硬度检测结果如图 3所示。由图3可知，随着奥氏体化处理时间的延长，45钢试样工件的硬度逐渐增大，保温
1.5h时达到峰值，随即硬度开始降低，直到保温2h时，硬度值仍高于对照样。可见，工件为中碳钢时，奥氏体化处理的保温时间优选为40min 2h。方案三是采用TlO钢作为高碳钢试样，共分10组进行试验。其中，预留I组作为对照样，剩下9组的试验方法及操作步骤与上述方案一相同，仅仅是在奥氏体化处理的时间上所有差别，即分别保温40min、lh、l. 5h、2h、3h、4h、5h、7h、9h，最后各组试样的硬度检测结果如图4所示。由图4可知，随着奥氏体化处理时间的延长，TlO钢试样工件的硬度逐渐增大，保温2h时达到峰值，随即硬度开始降低，直到保温4h时，硬度值仍高于对照样。可见， 工件为高碳钢时，奥氏体化处理的保温时间优选为40min 4h。方案四是采用Crl2MoV冷作磨具钢作为高碳合金钢试样，共分10组进行试验。其中，预留I组作为对照样，剩下9组的试验方法及操作步骤与上述方案一相同，仅仅是在奥氏体化处理的上所有差别，即分别保温40min、lh、l. 5h、2h、2. 5h、3h、4h、5h、7h，最后各组试样的硬度检测结果如图5所示。由图5可知，随着奥氏体化处理的保温时间的延长，Crl2MoV冷作磨具钢试样工件硬度逐渐增大，保温Ih时达到峰值，随即硬度开始降低，直到保温2h 时，硬度值仍高于对照样。可见，工件为高碳合金钢时，奥氏体化处理的保温时间优选为 40min 2h。利用XRD证明本发明的热处理工艺的相变过程，实验发现工件经离子氮碳共渗处理后，形成ε和Y'组成的硬化层，再经过本发明处理后转化成由Y'和α-Fe组成的贝氏体层，同时强化层晶粒明显地细化。可见，本发明的热处理工艺通过相变强化和细晶强化，使强化层硬度和耐磨性有了很大程度地提高。与现有技术相比，本发明能取得以下技术效果
(1)经本发明各种热处理工艺技术方案处理后的低碳钢、中碳钢、高碳钢和高碳合金钢的表面硬度比同种材料的离子氮碳共渗工件有了很大的提高，08F钢件表面硬度提高了 400HV，45钢件表面硬度提高了 240HV，TlO钢件表面硬度提高了 356. 7HV，Crl2MoV钢件表面硬度提高了 272HV。因而能有效拯救部分因软氮化不合格的氮化工件，节省资源，而且工艺简单，容易操作。(2)本发明的各技术方案不仅可适用于不同的钢铁材料(如不仅适用于碳素钢、合金钢，铸铁等离子氮碳共渗的工件)，也可适用于各种氮化工艺(例如气体氮碳共渗工件或盐浴氮碳工件等)，具有广泛的适应性和很好的工业应用前景。
图I是本发明各实施例的热处理工艺图(①表示氮碳共渗工艺过程，②表示奥氏体化处理工艺过程，③表示等温时效处理工艺过程);
图2是08F钢经本发明工艺处理后的表面显微硬度曲线；
图3是45钢经本发明工艺处理后的表面显微硬度曲线；
图4是TlO钢经本发明工艺处理后的表面显微硬度曲线；
图5是Crl2MoV冷作磨具钢经本发明工艺处理后的表面显微硬度曲线；
图6是实施例中45钢、TlO钢和Crl2MoV冷作磨具钢经本发明工艺处理后的工件磨损实验图。
具体实施例方式下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步的说明。实施例I :
如图I所示，利用本发明的提高低碳钢工件氮碳共渗强化层性能的热处理工艺处理 08F钢，该热处理工艺主要包括离子氮碳共渗、700°C奥氏体化处理和225°C等温时效处理三个步骤，具体操作如下
Cl)离子氮碳共渗将08F钢试样送入570°C ±10°C的离子氮化炉中进行离子氮碳共渗5h，然后随炉冷却至室温；
(2)奥氏体化处理将NaCUBaCl2和CaCl2放入井式炉中并加热到700°C，将经离子氮碳共渗处理后的08F钢试样置入700°C的井式炉中进行奥氏体化处理，保温5h，出炉水冷并进行超声波振荡清洗；
(3)等温时效处理将经过奥氏体化处理的08F钢试样放入到225°C的油浴炉中进行等温时效处理，保温14h，然后将工件进行水冷到室温，得到经本发明热处理后的工件。在上述步骤(I)完成后，选取一段工件，在室温条件下，检测经离子氮碳共渗后的 08F钢工件的硬度和强化层厚度(试验机为HXD - 1000T型Vickers硬度试验机，实验载荷为4. 9N,持续时间为15s，每个数值取8个测试点平均值)，得到经离子氮碳共渗后的工件表面硬度为268. 2HV。按照相同的试验设备和条件，检测经本发明工艺处理后的08F钢工件的硬度和强化层厚度，得到其表面硬度峰值为660. 8HV (参见图2)。可见，经本发明工艺处理后，08F钢试样的硬度提高了约392. 6 HV。实施例2:
如图I所示，利用本发明的提高中碳钢工件氮碳共渗强化层性能的热处理工艺处理45 钢，该热处理工艺主要包括离子氮碳共渗、700°C奥氏体化处理和225°C等温时效处理三个步骤，具体操作如下
(1)离子氮碳共渗将45钢试样送入570°C±10°C的离子氮化炉中进行离子氮碳共渗 5h，然后随炉冷却至室温；
(2)奥氏体化处理将NaCUBaCl2和CaCl2放入井式炉中并加热到700°C，将经离子氮碳共渗处理后的45钢试样置入700°C的井式炉中进行奥氏体化处理，保温I. 5h，出炉水冷并进行超声波振荡清洗；
(3)等温时效处理将经过奥氏体化处理45钢试样放入到225°C的油浴炉中进行等温时效处理，保温14h，然后将工件进行水冷到室温，得到经本发明热处理后的工件。在上述步骤(I)完成后，选取一段工件，在室温条件下，检测经离子氮碳共渗后的 45钢工件的硬度和强化层厚度(试验机为HXD - 1000T型Vickers硬度试验机，实验载荷为
4.9N，持续时间为15s，每个数值取8个测试点平均值)，得到经离子氮碳共渗后的工件的表面硬度为622. 4HV。按照相同的试验设备和条件，检测经本发明工艺处理后的45钢工件的硬度和强化层厚度，得到其表面硬度峰值为858. 5HV (参见图3)。可见，经本发明工艺处理后，08F钢试样的硬度提高了约236. 1HV。实施例3
如图I所示，利用本发明的提高高碳钢工件氮碳共渗强化层性能的热处理工艺处理 TlO钢，该热处理工艺主要包括离子氮碳共渗、700°C奥氏体化处理和225°C等温时效处理三个步骤，具体操作如下
(O离子氮碳共渗将TlO钢试样送入570°C ±10°C的离子氮化炉中进行离子氮碳共渗5h，然后随炉冷却至室温；
(2)奥氏体化处理将NaCUBaCl2和CaCl2放入井式炉中并加热到700°C，将经离子氮碳共渗处理后的TlO钢试样置入700°C的井式炉中进行奥氏体化处理，保温2h，出炉水冷并进行超声波振荡清洗；
(3)等温时效处理将经过奥氏体化处理的TlO钢试样放入到225°C的油浴炉中进行等温时效处理，保温14h，然后将工件进行水冷到室温，得到经本发明热处理后的工件。在上述步骤(I)完成后，选取一段工件，在室温条件下，检测经离子氮碳共渗后的 TlO钢工件的硬度和强化层厚度(试验机为HXD - 1000T型Vickers硬度试验机，实验载荷为4. 9N,持续时间为15s，每个数值取8个测试点平均值)，得到经离子氮碳共渗后的TlO工件的表面硬度为504. 5HV。按照相同的试验设备和条件，检测经本发明工艺处理后的TlO钢工件的硬度和强化层厚度，得到其表面硬度峰值为862. IHV (参见图4)。可见，经本发明工艺处理后，TlO钢试样的硬度提高了约357. 6HV。实施例4
如图I所示，利用本发明的提高高碳合金钢工件氮碳共渗强化层性能的热处理工艺处理Crl2MoV冷作磨具钢，该热处理工艺主要包括离子氮碳共渗、70(TC奥氏体化处理和 225°C等温时效处理三个步骤，具体操作如下
Cl)离子氮碳共渗将Crl2MoV冷作磨具钢试样送入570°C ± 10°C的离子氮化炉中进行离子氮碳共渗5h，然后随炉冷却至室温；
(2)奥氏体化处理将NaCUBaCl2和CaCl2放入井式炉中并加热到700°C，将经离子氮碳共渗处理后的Crl2MoV冷作磨具钢试样置入700°C的井式炉中进行奥氏体化处理，保温 Ih,出炉水冷并进行超声波振荡清洗；
(3)等温时效处理将经过奥氏体化处理Cr12MoV冷作磨具钢试样放入到225°C的油浴炉中进行等温时效处理，保温14h，然后将工件进行水冷到室温，得到经本发明热处理后的工件。在上述步骤(I)完成后，选取一段工件，在室温条件下，检测经离子氮碳共渗后的 Cr 12MoV冷作磨具钢工件的硬度和强化层厚度(试验机为HXD — 1000T型Vickers硬度试验机，实验载荷为4. 9N,持续时间为15s，每个数值取8个测试点平均值。)，得到经离子氮碳共渗后的Crl2MoV冷作磨具钢工件的表面硬度为760. 9HV。按照相同的试验设备和条件，检测经本发明工艺处理后的Crl2MoV冷作磨具钢工件的硬度和强化层厚度，得到其表面硬度峰值为1032. 9HV(参见图5)。可见，经本发明工艺处理后，Crl2MoV冷作磨具钢试样的硬度提高了约 272HV。对上述实施例各工件进行磨损试验(实验采用自改装的磨损试验机，磨损对偶采用Crl2MoV钢材料，加工成直径178mm的圆盘，圆盘厚度20mm。然后采用淬火处理使材料的硬度达到65HRC。磨损时加载载荷为70N，磨轮转速为240转/分钟，总共磨损6000转(约
3.4km)。)由于08F钢采用的是薄板材，因此只对45钢、TlO钢和Crl2MoV钢进行耐磨试验。 实验结果见图6。由图6可见，经过本发明热处理工艺处理后，各种工件的耐磨性比同种材料的离子氮碳共渗工件的耐磨性有显著提高。以上所述仅是本发明的优选实施例，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，均应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种提高钢材料工件氮碳共渗强化层性能的热处理工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤(1)奥氏体化处理将经氮碳共渗后的低碳钢工件进行奥氏体化处理，处理时间为 O. 5h 9h ; (2)等温时效处理将经奥氏体化处理后的工件再进行等温时效处理，完成热处理工艺。
2.根据权利要求I所述的提高钢材料工件氮碳共渗强化层性能的热处理工艺，其特征在于所述处理时间为2h 9h。
3.一种提高钢材料工件氮碳共渗强化层性能的热处理工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤Cl)奥氏体化处理将经氮碳共渗后的中碳钢工件进行奥氏体化处理，处理时间为 O. 5h 2. 5h ;(2)等温时效处理将经奥氏体化处理的工件再进行等温时效处理，完成热处理工艺。
4.根据权利要求3所述的提高钢材料工件氮碳共渗强化层性能的热处理工艺，其特征在于所述处理时间为40min 2h。
5.一种提高钢材料工件氮碳共渗强化层性能的热处理工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤(O奥氏体化处理将经氮碳共渗后的高碳钢工件进行奥氏体化处理，处理时间为 O. 5h 4h ;(2)等温时效处理将经奥氏体化处理的工件再进行等温时效处理，完成热处理工艺。
6.一种提高钢材料工件氮碳共渗强化层性能的热处理工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤(1)奥氏体化处理将经氮碳共渗后的高碳合金钢工件进行奥氏体化处理，处理时间为 O. 5h 2h ;(2)等温时效处理将经奥氏体化处理的工件再进行等温时效处理，完成热处理工艺。
7.根据权利要求I至6中任一项所述的提高钢材料工件氮碳共渗强化层性能的热处理工艺，其特征在于，所述奥氏体化处理的工艺过程为将经氮碳共渗后的所述工件放入 7000C ±10°C的熔盐或者真空中进行奥氏体化处理，保温后，出炉水冷。
8.根据权利要求7所述的提高钢材料工件氮碳共渗强化层性能的热处理工艺，其特征在于所述熔盐为NaCUBaCl2和CaCl2的混合盐。
9.根据权利要求I至6中任一项所述的提高钢材料工件氮碳共渗强化层性能的热处理工艺，其特征在于，所述等温时效处理的工艺过程为将经奥氏体化处理的工件放入 225°C ±5°C的油浴炉中进行等温时效处理，保温6h 14h，再将所述工件出油浴炉水冷，完成处理。
全文摘要
本发明公开了一种提高钢材料工件氮碳共渗强化层性能的热处理工艺，该工艺步骤主要包括700℃±10℃的奥氏体化处理和225℃±5℃的等温时效处理。本发明的热处理工艺操作简单，易于实现，且能有效改善钢材料工件氮碳共渗表面强化层性能。通过本发明的热处理工艺处理后的钢材料工件的表面硬度和耐磨性有显著提高。
文档编号C23C8/36GK102605315SQ201110026979
公开日2012年7月25日 申请日期2011年1月25日 优先权日2011年1月25日
发明者伍翠兰, 何爱贵, 李子青, 陈江华, 陈汪林 申请人:湖南大学