一种渗碳零件回火热处理方法及渗碳零件与流程

本发明属于金属材料热处理
技术领域：
，具体地涉及一种渗碳零件回火热处理方法及渗碳零件。
背景技术：
：对于轴类、齿轮类需要渗碳淬火的零部件，需要获得表面较硬、芯部较韧的渗碳强化层，并且由于此类零部件的主要失效方式为接触疲劳，因此提高渗碳强化层的强度、塑性，尤其是强塑性匹配是提高此类零部件可靠性的关键。渗碳类零部件具有较高的表面含碳量，通常渗碳淬火后采用150～170℃的低温回火作为热处理工艺的最后一步，主要目的是去除淬火应力，并未利用后续回火热处理工艺进一步提高淬火马氏体塑性。然而，针对此类零部件的服役工况，热处理后微观组织的残余奥氏体的稳定性和回火马氏体的强韧性直接影响零部件的服役精度和服役寿命；目前针对渗碳类零部件淬火后的回火工艺的目的主要是消除淬火应力，并且避免发生回火脆性，经验认为200℃以上会发生第一类回火脆性，因此，现有的回火工艺一般采取200℃以下回火。因此导致渗碳层回火后组织中未析出碳化物的高碳马氏体含量过高，导致渗碳零件的强塑性匹配较差，抵抗接触疲劳性能较差，服役可靠性较差；因此需要通过对淬火后的回火工艺进一步精细化控制，进而对微观组织进一步精细化调整来优化渗碳层的性能。技术实现要素：鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种渗碳零件回火热处理方法及渗碳零件，解决了现有技术中渗碳层回火后组织中未析出碳化物的高碳马氏体含量过高，导致渗碳零件的强塑性匹配较差，抵抗接触疲劳性能较差，服役可靠性较差的问题。本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：一方面，本发明提供了一种渗碳零件回火热处理方法，热处理方法包括对渗碳淬火后的零件采用回火热处理，在fe3c析出型回火马氏体生成之前终止回火热处理，以获得微观组织以碳原子集群化与亚结构过渡态碳化物析出为特征的回火马氏体的体积分数为90％以上、fe3c析出型回火马氏体及贝氏体的体积分数为1％以下的渗碳层。进一步的，热处理方法包括如下步骤：步骤一：对零件进行表面渗碳淬火处理，获取渗碳淬火层；步骤二：测试分析渗碳淬火层组织中残余奥氏体的含量；步骤三：对渗碳淬火后渗碳淬火层组织中残余奥氏体体积分数＜10％的零件进行回火热处理，回火温度200-250℃，回火时间0.5-12h；步骤四：保温结束后水冷，获得最终的渗碳零件；其中，渗碳零件的渗碳层组织为：以碳原子集群化与亚结构过渡态碳化物析出为组织特征的低碳回火马氏体(体积分数90％以上)+残余奥氏体(体积分数2％～10％)+未析出碳化物的高碳马氏体含量1％以下+fe3c析出型回火马氏体及贝氏体含量1％以下。进一步的，步骤二中，测试分析渗碳淬火层组织中残余奥氏体的含量，若残余奥氏体体积分数≥10％，则对零件进行深冷处理；若残余奥氏体体积分数＜10％，则不需要对零件进行深冷处理。进一步的，步骤三中，回火温度和保温时间符合如下关系：回火温度t(℃)，回火时间t(min)满足如下函数关系：t×logt＝a；其中，a为240～583。进一步的，200℃≤t≤210℃时，a＝511～583；210℃<t≤220℃时，a＝473～562；220℃<t≤230℃时，a＝457～570；230℃<t≤240℃时，a＝409～542；240℃<t≤250℃时，a＝240～489。进一步的，步骤四中，亚结构过渡态碳化物的粒径小于100nm。进一步的，步骤四中，亚结构过渡态碳化物为ε碳化物、η碳化物、χ型碳化物或者cr、ti、ni、mn合金元素与碳原子相互作用产生的调幅分解产物。进一步的，步骤一中，渗碳淬火后零件表面的碳浓度为0.8％～1.5％。进一步的，步骤二中，深冷的温度为-50～-150℃。另一方面，本发明还提供了一种渗碳零件，采用上述的方法制得。与现有技术相比，本发明有益效果如下：1)本发明提供的渗碳零件回火热处理方法，基于回火过程中，间隙碳原子的扩散热力学和动力学计算，提出控制碳原子集群化与亚结构过渡态碳化物析出的精准回火热处理方法，通过精确控制回火温度和时间，在fe3c析出型回火马氏体生成之前，及时终止回火过程，避免回火进入回火脆性区间，保证渗碳层组织为以碳原子集群化与亚结构过渡态碳化物析出为组织特征的低碳回火马氏体(体积分数90％以上)+残余奥氏体(体积分数2％～10％)+未析出碳化物的高碳马氏体含量1％以下+fe3c析出型回火马氏体及贝氏体含量1％以下；同时能够稳定组织中的残余奥氏体，确保不牺牲渗碳层的表层及次表层的塑性，优化其强塑性匹配，提高耐磨性，提高零部件的接触疲劳服役性能。2)同时，通过精确控制回火温度和时间，能够缩短零件的在炉时间(例如，对同一零件，采用本发明的热处理方法所需在炉时间缩短了20％以上)，大大提高生产效率，节约能源，克服了现有热处理工艺针对渗碳零件材料的大渗层在炉时间长的难题，在提高生产效率的情况下，兼具渗碳层组织可控、强塑性匹配优化的良好性能。尤其适用于重载类渗碳零部件(例如轴类、齿轮类零部件)的热处理。3)本发明提供的渗碳零件的渗碳层组织中以碳原子集群化与亚结构过渡态碳化物析出为组织特征的低碳回火马氏体的体积分数90％以上，残余奥氏体体积分数2％～10％，未析出碳化物的高碳马氏体含量1％以下+fe3c析出型回火马氏体及贝氏体含量1％以下，强塑性匹配较好，接触疲劳服役性能高，适用范围广。与传统170-200℃回火处理的零件相比，强度不损失，塑性提高5％～30％，韧性提高1％～10％。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书和附图中所特别指出的结构来实现和获得。附图说明附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。图1为本发明提供的热处理方法示意图；图2为本发明提供的渗碳钢热处理后的渗碳层表层复相结构示意图；图3为本发明提供的实施例1的热处理方法示意图；图4为本发明提供的实施例1的渗碳层微观组织图。具体实施方式下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。目前针对渗碳类零部件淬火后的回火工艺的目的主要是消除淬火应力，并且避免发生回火脆性，经验认为200℃以上会发生第一类回火脆性，因此，现有的回火工艺一般采取200℃以下回火，因此会导致渗碳层回火后组织中未析出碳化物的高碳马氏体含量过高，导致渗碳零件的强塑性匹配较差，抵抗接触疲劳性能较差，服役可靠性较差。本发明的原理如下：发明人在研究中发现，碳原子集群化与亚结构过渡态碳化物是回火马氏体形成前要经历的一个过程，现有的工艺均未注意到这个过程对马氏体强塑性调节的重要意义。本发明通过精准回火热处理，通过精确控制回火温度和回火时间的匹配性，让回火后的组织停留在这个碳原子集群化与亚结构过渡态碳化物的阶段，降低高碳马氏体的含量，本发明通过形成以碳原子集群化与亚结构过渡态碳化物析出为组织特征的回火马氏体为主的微观组织，能够避免脆性，保证强度不损失的前提下，提高塑性，进一步优化渗碳层的性能。本发明提供了一种渗碳零件回火热处理方法，该热处理方法包括对渗碳淬火后的零件采用精准回火热处理，获得的渗碳层的微观组织为以碳原子集群化与亚结构过渡态碳化物析出为组织特征的回火马氏体(即淬火马氏体基体上共格析出亚结构过渡态碳化物，如图2和图4所示)的体积分数为90％以上。具体的，精准回火热处理需要精确控制回火温度和回火时间的匹配性，例如：回火温度t(℃)，回火时间t(min)满足如下函数关系：t×logt＝a200℃≤t≤210℃时，a＝511～583；210℃<t≤220℃时，a＝473～562；220℃<t≤230℃时，a＝457～570；230℃<t≤240℃时，a＝409～542；240℃<t≤250℃时，a＝240～489。具体的，如图1所示，渗碳零件回火热处理方法包括如下步骤：步骤一：对零件进行表面渗碳淬火处理，获取渗碳淬火层，获得残余奥氏体、马氏体或贝氏体的微观组织；步骤二：测试分析渗碳淬火层组织中残余奥氏体的含量，若残余奥氏体体积分数≥10％，则对零件进行深冷处理，使得残余奥氏体体积分数＜10％；若残余奥氏体体积分数＜10％，则不需要对零件进行深冷处理；步骤三：对渗碳淬火(或深冷处理)后渗碳淬火层组织中残余奥氏体体积分数＜10％的零件进行回火，回火温度200～250℃，回火时间0.3～12h；步骤四：保温结束后水冷，获得最终的渗碳零件；其中，渗碳零件的渗碳层组织为以碳原子集群化与亚结构过渡态碳化物析出为组织特征的低碳回火马氏体(体积分数90％以上)+残余奥氏体(体积分数2％-10％)，未析出碳化物的高碳马氏体含量1％以下+fe3c析出型回火马氏体及贝氏体含量1％以下。从而获得强韧性匹配优良的渗碳淬火强化层。具体的，上述步骤一中，渗碳淬火的工艺步骤包括：采取气态、液态或固态渗碳，渗碳淬火后零件表面的碳浓度控制在0.8％～1.5％，可采用一次淬火或二次淬火，淬火温度为780～900℃，油冷或水冷。具体的，上述步骤二中，对于残余奥氏体体积分数较高(如残余奥氏体体积分数≥10％)的零件，需要采用深冷处理后，能够进一步促进残余奥氏体向马氏体和亚结构过渡态碳化物转变，进一步稳定残余奥氏体，提高强韧性。具体的，上述步骤二中，深冷可采用液氮控制深冷，深冷的温度为-50～-150℃。具体的，上述步骤三中，回火温度t(℃)，回火时间t(min)满足如下函数关系：t×logt＝a200℃≤t≤210℃时，a＝511～583；210℃<t≤220℃时，a＝473～562；220℃<t≤230℃时，a＝457～570；230℃<t≤240℃时，a＝409～542；240℃<t≤250℃时，a＝240～489。上述步骤三中，通过控制回火温度和回火时间的匹配性，保证残余奥氏体在此阶段进一步分解，固溶碳原子向残余奥氏体扩散，并在马氏体、贝氏体基体中发生集群化，进一步析出亚结构过渡态碳化物，而尽量不析出fe3c型碳化物；并且本发明的回火温度为200℃～250℃，高于现有技术低温回火常用的150～170℃，这对零部件在后期服役过程中抵抗摩擦热，保持组织稳定性和尺寸精度具有明显的优势。具体的，上述步骤四中，亚结构过渡态碳化物的粒径小于100nm，亚结构过渡态碳化物的粒径较小能保证零件的强度不损失，塑性提高5％～30％，韧性提高1％～10％。具体的，上述步骤四中，表面渗碳层的回火马氏体基体的碳浓度降到0.3％以下，这是因为淬火态的马氏体中碳是过饱和固溶的，当经过回火工艺后，这部分过饱和固溶的碳原子会以过渡态碳化物的形式析出，降低了原淬火态马氏体基体中的碳固溶度(即碳浓度)。具体的，上述步骤四中，亚结构过渡态碳化物可以为ε碳化物、η碳化物、χ型碳化物，亚结构过渡态碳化物的化学式为mxcy，其中，1≤x/y<3，m为fe、cr、ti、w、v、mo、co中的一种或多种元素；或者亚结构过渡态碳化物可以为cr、ti、ni、mn等合金元素与碳原子相互作用产生的调幅分解产物。与现有技术相比，本发明提供的渗碳零件回火热处理方法，基于回火过程中间隙碳原子的扩散热力学和动力学计算，提出控制碳原子集群化与亚结构过渡态碳化物析出的回火热处理方法，通过精确控制回火温度和回火时间，保证在fe3c型的回火马氏体生成之前，及时终止回火过程，避免回火进入回火脆性区间，保证渗碳层组织为以碳原子集群化与亚结构过渡态碳化物析出为组织特征的低碳回火马氏体(体积分数90％以上)+残余奥氏体(体积分数2％～10％)+未析出碳化物的高碳马氏体含量1％以下+fe3c析出型回火马氏体及贝氏体含量1％以下；同时能够稳定组织中的残余奥氏体，确保不牺牲渗碳层的表层及次表层的塑性，优化其强塑性匹配，提高零部件的接触疲劳服役性能。同时，通过精确控制回火温度和回火时间，能够缩短零件的在炉时间(例如，对同一零件，采用本发明的热处理方法所需在炉时间缩短了20％以上)，大大提高生产效率，克服了现有热处理工艺针对渗碳零件材料的大渗层在炉时间长的难题，在提高生产效率的情况下，兼具渗碳层组织可控、强塑性匹配优化的良好性能，尤其适用于重载类渗碳零部件(例如轴类、齿轮类零部件)的热处理。本发明还提供了一种渗碳零件，渗碳层的组织为：以碳原子集群化与亚结构过渡态碳化物析出为组织特征的低碳回火马氏体(体积分数90％以上)+残余奥氏体(体积分数2％～10％)+未析出碳化物的高碳马氏体含量1％以下+fe3c析出型回火马氏体及贝氏体含量1％以下；亚结构过渡态碳化物的粒径小于100nm。具体的，上述渗碳零件的原材料为20crmnti、18cr2ni4w、20crmnmo。与现有技术相比，本发明提供的渗碳零件的有益效果与上述渗碳零件回火热处理方法的有益效果基本相同，在此不一一赘述。实施例1以基体材料采用20crmnti渗碳零件为例，其控制碳原子集群化与亚结构过渡态碳化物析出的热处理方法的制备方法参见图3，该制备方法包括如下步骤：步骤一：将20crmnti零件在930℃进行渗碳10h，随后将样品进行油冷淬火，检测残余奥氏体的体积分数为8％，不再进行深冷处理；步骤二；将渗碳淬火后的零件置于210℃的回火炉中，保温360min，样品内部亚结构过渡态碳化物生成率达到90％，之后水冷处理。热处理完成后，取20crmnti渗碳零件的渗碳层组织进行分析评价，其透射电镜下的微观组织特征如图4所示；微观组织为：以碳原子集群化与亚结构过渡态碳化物析出为组织特征的低碳回火马氏体(体积分数97％)+残余奥氏体(体积分数1.8％)+未析出碳化物的高碳马氏体(体积分数0.7％)+fe3c析出型回火马氏体及贝氏体(体积分数0.5％)；亚结构过渡态碳化物的粒径为60-80nm。亚结构过渡态碳化物为ε碳化物、η碳化物、χ型碳化物，亚结构过渡态碳化物的化学式为mxcy，其中，1≤x/y<3，m为fe、cr、ti、w、v、mo、co中的一种或多种元素；或者亚结构过渡态碳化物可以为cr、ti、ni、mn等合金元素与碳原子相互作用产生的调幅分解产物。实施例2以基体材料采用20crmnti渗碳零件为例，精准控制碳原子集群化与亚结构过渡态碳化物析出制备方法包括如下步骤：步骤一：将20crmnti零件在930℃进行渗碳30h，随后将样品进行油冷淬火，检测残余奥氏体的体积分数为15％，进行液氮深冷处理30min；步骤二；将渗碳淬火后的零件置于230℃的回火炉中，保温120min，样品内部亚结构过渡态碳化物转化率达到92％，之后水冷处理。热处理完成后的渗碳层的微观组织为：以碳原子集群化与亚结构过渡态碳化物析出为组织特征的低碳回火马氏体(体积分数97.4％)+残余奥氏体(体积分数1％)+未析出碳化物的高碳马氏体(体积分数0.9％)+fe3c析出型回火马氏体及贝氏体(体积分数0.7％)；亚结构过渡态碳化物的粒径为50-60nm。亚结构过渡态碳化物为ε碳化物、η碳化物、χ型碳化物，亚结构过渡态碳化物的化学式为mxcy，其中，1≤x/y<3，m为fe、cr、ti、w、v、mo、co中的一种或多种元素；或者亚结构过渡态碳化物可以为cr、ti、ni、mn等合金元素与碳原子相互作用产生的调幅分解产物。实施例3以基体材料采用18cr2ni4w渗碳零件为例，精准控制碳原子集群化与亚结构过渡态碳化物析出制备方法包括如下步骤：步骤一：将18cr2ni4w零件在930℃进行渗碳30h，随后将样品进行油冷淬火，检测残余奥氏体的体积分数为12％，进行深冷处理2h。步骤二；将渗碳淬火后的20crmnti零件置于240℃的回火炉中，保温90min，样品内部亚结构过渡态碳化物转化率达到95％，之后水冷处理。热处理完成后的渗碳层的微观组织为：以碳原子集群化与亚结构过渡态碳化物析出为组织特征的低碳回火马氏体(体积分数97％)+残余奥氏体(体积分数1.3％)+未析出碳化物的高碳马氏体(体积分数0.8％)+fe3c析出型回火马氏体及贝氏体(体积分数0.9％)；亚结构过渡态碳化物的粒径为70-80nm。亚结构过渡态碳化物为ε碳化物、η碳化物、χ型碳化物，亚结构过渡态碳化物的化学式为mxcy，其中，1≤x/y<3，m为fe、cr、ti、w、v、mo、co中的一种或多种元素；或者亚结构过渡态碳化物可以为cr、ti、ni、mn等合金元素与碳原子相互作用产生的调幅分解产物。由实施例1-3的微观组织可见，采用渗碳淬火后的精准回火热处理，渗碳层的微观组织中出现大量细密的亚结构过渡态碳化物，均匀分布在基体内部，与基体组织保持共格界面关系，未见明显的大颗粒fe3c碳化物生成，充分确保不牺牲渗碳层的表层及次表层的塑性，优化其强塑性匹配，提高零部件的接触疲劳服役性能。对比例1本对比例提供了一种传统热处理处理基体材料采用20crmnti渗碳零件的方法，热处理方法包括如下步骤：步骤一：将20crmnti零件在930℃进行渗碳30h，随后将样品进行油冷淬火；步骤二；将渗碳淬火后的零件置于180℃的回火炉中，保温6h，之后水冷处理。热处理后的渗碳层组织为：残余奥氏体5％+回火马氏体80％+未析出碳化物的高碳马氏体15％。对比例2本对比例提供了一种传统热处理处理基体材料采用18cr2ni4w渗碳零件的方法，热处理方法包括如下步骤：步骤一：将18cr2ni4w零件在930℃进行渗碳30h，随后将样品进行油冷淬火；步骤二；将渗碳淬火后的零件置于190℃的回火炉中，保温5.5h，热处理后的渗碳层组织为：残余奥氏体3％+回火马氏体85％+未析出碳化物的高碳马氏体12％。上述实施例1-3和对比例1-2的性能结果如下表1所示，其中，耐磨性的检测方法是：施加实验载荷为1800n，在疲劳磨损阶段，载荷分级加载，初始加载800n，每隔1000转加载200n。测试试验机转速为200转/分钟，以模拟低速重载的工况；以100万转的循环周次评价耐磨性，设定实施例1的磨损失重为1个单位量衡量。由表1可以看出，本发明实施例1-3与对比例1-2的硬度相当，耐磨性明显提高；可见，本发明采用精准回火热处理方法，通过精确控制回火温度和时间，保证以碳原子集群化与亚结构过渡态碳化物析出为组织特征的低碳回火马氏体的体积分数90％以上，未析出碳化物的高碳马氏体含量1％以下，fe3c析出型回火马氏体及贝氏体含量1％以下，强塑性匹配较好，耐磨性提高，接触疲劳服役性能高，适用范围广。表1实施例1-3和对比例1-2的性能结果序号表面硬度hv1耐磨性实施例1650～7501实施例2650～7500.95实施例3650～7500.8对比例1650～7501.2对比例2650～7501.4以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。当前第1页12