一种16Cr3NiWMoVNbE材料低压真空碳氮共渗方法与流程

本发明属于金属处理技术领域，具体地说，尤其涉及一种16cr3niwmovnbe材料低压真空碳氮共渗方法。

背景技术：

随着我国机械行业的飞速发展，对装备整体的可靠性要求越来越高，从而进一步对其零部件的可靠性、结构紧凑性提出了更高的要求。然而，由于某型号总机的太阳轮零件采用16cr3niwmovnbe材料，要求对齿部进行渗碳、花键部位进行碳氮共渗，由于该材料中的合金含量很高，含有大量的强碳化物形成元素，属于易饱和渗碳钢，利用传统碳氮共渗工艺容易造成其碳化物超级、残余奥氏体超级、表面硬度低等现象。目前因其工艺条件不成熟，缺乏合适的低压真空碳氮共渗相关工艺参数，无法满足该16cr3niwmovnbe材料的设计技术要求。为此，需研究一个16cr3niwmovnbe材料低压真空碳氮共渗的工艺方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种16cr3niwmovnbe材料低压真空碳氮共渗方法，旨在解决现有技术中对于16cr3niwmovnbe材料碳氮共渗后残奥容易超级、表面硬度偏低的问题。

本发明是采用以下技术方案实现的：一种16cr3niwmovnbe材料低压真空碳氮共渗方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一，将工件放入渗碳炉；

第二，向渗碳炉内通入氮气对渗碳炉进行吹扫；

第三，对工件进行至少一次复合脉冲碳氮共渗；

所述复合脉冲碳氮共渗包括以下几个步骤：

a，向渗碳炉中通入乙炔气体；

b，向渗碳炉内通入氮气对渗碳炉进行吹扫；

c，向渗碳炉中通入氨气；

d，向渗碳炉内通入氮气对渗碳炉进行吹扫；

e，向渗碳炉内通入氮气，进行氮气扩散。

进一步地，一次所述复合脉冲碳氮共渗中的a步骤中通入乙炔的时间t1是≤60s，流量q1是1500±200nl/h。

进一步地，一次所述复合脉冲碳氮共渗中的b步骤中氮气吹扫时间为t2是10±1s，吹扫流量q2是4000±500nl/h。

进一步地，一次所述复合脉冲碳氮共渗中的c步骤中通入氨气的时间t3是≤65s，流量q3是1450±200nl/h。

进一步地，一次所述复合脉冲碳氮共渗中的d步骤中氮气吹扫时间t4是10±1s，吹扫流量q4是4000±500nl/h。

进一步地，一次所述复合脉冲碳氮共渗中a步骤中通入乙炔的时间是t1，b步骤中氮气吹扫时间是t2，c步骤中通入氨气的时间是t3，d步骤中氮气吹扫时间是t4，e步骤中通入氮气扩散时间是t5，t5应满足t5/(t1+t3)＞2、通入氮气扩散流量q5是1500±200nl/h，通入氮气的扩散时间t5范围为4～120min。

进一步地，所述渗碳炉的压力p是8±0.5mbar。

进一步地，所述渗碳炉的温度t是870±10℃。

进一步地，一次所述复合脉冲碳氮共渗中a步骤中通入乙炔的时间是t1，b步骤中氮气吹扫时间是t2，c步骤中通入氨气的时间是t3，d步骤中氮气吹扫时间是t4，e步骤中通入氮气扩散时间是t5，对工件进行至少两次复合脉冲碳氮共渗，第n次复合脉冲碳氮共渗通入乙炔的时间t1小于等于第n-1次复合脉冲碳氮共渗通入乙炔的时间t1，第n次复合脉冲碳氮共渗通入氨气的时间t3小于等于第n-1次复合脉冲碳氮共渗通入氨气的时间t3，第n次复合脉冲碳氮共渗通入氮气扩散时间t5大于第n-1次复合脉冲碳氮共渗通入氮气扩散时间t5，第n次复合脉冲碳氮共渗的时间(t1+t2+t3+t4+t5)大于第n-1次复合脉冲碳氮共渗的时间(t1+t2+t3+t4+t5)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过对碳氮共渗工艺参数的优化，特别是对通入乙炔和氨气时间的严格控制，从而避免共渗后出现大量的残余奥氏体组织，提高共渗的表面硬度，且表面获得合适的c、n浓度及含量百分比，使得16cr3niwmovnbe材料碳氮共渗后满足技术要求。

附图说明

图1采用现有技术中的碳氮共渗方法后的16cr3niwmovnbe材料的金相组织a1；

图2采用现有技术中的碳氮共渗方法后的16cr3niwmovnbe材料的金相组织a2；

图3采用本发明所述的碳氮共渗方法后的16cr3niwmovnbe材料的金相组织b1；

图4采用本发明所述的碳氮共渗方法后的16cr3niwmovnbe材料的金相组织b2。

具体实施方式

一种16cr3niwmovnbe材料低压真空碳氮共渗方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一，将工件放入渗碳炉；

第二，向渗碳炉内通入氮气对渗碳炉进行吹扫；

第三，对工件进行至少一次复合脉冲碳氮共渗；

所述复合脉冲碳氮共渗包括以下几个步骤：

a，向渗碳炉中通入乙炔气体；

b，向渗碳炉内通入氮气对渗碳炉进行吹扫；

c，向渗碳炉中通入氨气；

d，向渗碳炉内通入氮气对渗碳炉进行吹扫；

e，向渗碳炉内通入氮气，进行氮气扩散。

一次所述复合脉冲碳氮共渗中的a步骤中通入乙炔的时间t1是≤60s，流量q1是1500±200nl/h。

本发明一次所述复合脉冲碳氮共渗中的a步骤中通入乙炔的时间t1是≤60s，流量q1是1500±200nl/h，可防止c原子在渗层组织中出现过饱和现象，避免造成碳化物超级。

一次所述复合脉冲碳氮共渗中的b步骤中氮气吹扫时间为t2是10±1s，吹扫流量q2是4000±500nl/h。

本发明一次所述复合脉冲碳氮共渗中的b步骤中氮气吹扫时间为t2是10±1s，吹扫流量q2是4000±500nl/h，避免残留碳原子影响过程控制。

一次所述复合脉冲碳氮共渗中的c步骤中通入氨气的时间t3是≤65s，流量q3是1450±200nl/h。

本发明一次所述复合脉冲碳氮共渗中的c步骤中通入氨气的时间t3是≤65s，流量q3是1450±200nl/h，可防止氮原子在渗层组织中含量过高，氮含量越高，奥氏体组织越稳定，可避免因氮含量过高造成淬火后残余奥氏体超级的现象。

一次所述复合脉冲碳氮共渗中的d步骤中氮气吹扫时间t4是10±1s，吹扫流量q4是4000±500nl/h。

本发明一次所述复合脉冲碳氮共渗中的d步骤中氮气吹扫时间t4是10±1s，吹扫流量q4是4000±500nl/h，避免残留n原子影响过程控制。

一次所述复合脉冲碳氮共渗中a步骤中通入乙炔的时间是t1，b步骤中氮气吹扫时间是t2，c步骤中通入氨气的时间是t3，d步骤中氮气吹扫时间是t4，e步骤中通入氮气扩散时间是t5，t5应满足t5/(t1+t3)＞2、通入氮气扩散流量q5是1500±200nl/h，通入氮气的扩散时间t5范围为4～120min。

本发明在随着复合脉冲碳氮共渗的多次循环，逐步适时地减短通入乙炔和氨气的时间，延长通入氮气的扩散时间，且后一个复合脉冲碳氮共渗时间应大于前一个复合脉冲碳氮共渗时间，以使碳、氮原子进一步向心部扩散，保证渗层组织及硬化层梯度下降平缓。

所述渗碳炉的压力p是8±0.5mbar。

所述渗碳炉的温度t是870±10℃。

一次所述复合脉冲碳氮共渗中a步骤中通入乙炔的时间是t1，b步骤中氮气吹扫时间是t2，c步骤中通入氨气的时间是t3，d步骤中氮气吹扫时间是t4，e步骤中通入氮气扩散时间是t5，对工件进行至少两次复合脉冲碳氮共渗，第n次复合脉冲碳氮共渗通入乙炔的时间t1小于等于第n-1次复合脉冲碳氮共渗通入乙炔的时间t1，第n次复合脉冲碳氮共渗通入氨气的时间t3小于等于第n-1次复合脉冲碳氮共渗通入氨气的时间t3，第n次复合脉冲碳氮共渗通入氮气扩散时间t5大于第n-1次复合脉冲碳氮共渗通入氮气扩散时间t5，第n次复合脉冲碳氮共渗的时间(t1+t2+t3+t4+t5)大于第n-1次复合脉冲碳氮共渗的时间(t1+t2+t3+t4+t5)。

本发明在将工件放入渗碳炉之前可先用酒精清洗，并根据碳氮共渗的技术要求，选择合适的渗碳炉共渗温度和需控制的碳、氮浓度，利用软件模拟出渗碳工艺的渗碳参数，在渗碳工艺参数的基础上，重新调整为碳氮共渗的工艺参数，适当分配强渗通入乙炔和氨气的时间比例，以及适当延长氮气扩散的时间。

16cr3niwmovnbe材料碳氮共渗层深度要求0.30～0.50mm，共渗工艺温度880℃，根据软件模拟计算的脉冲渗碳参数，再调整为碳氮共渗的工艺参数，见下表1所示；

表1低压真空复合脉冲碳氮共渗参数表

工件按表1工艺碳氮共渗后，再依次经过900℃淬火、-80℃冷处理和300℃回火，共渗层深度能达到0.45mm，表面硬度≥90.0hr15n，金相组织合格，满足技术要求。

如图1所示，是采用现有技术中的碳氮共渗方法后的16cr3niwmovnbe材料的金相组织a1，从图中我们可看到残余奥氏体较多；如图2所示，是采用现有技术中的碳氮共渗方法后的16cr3niwmovnbe材料的金相组织a2，从图中我们可看到碳化物和残余奥氏体较多；如图3所示，是采用本发明所述的碳氮共渗方法后的16cr3niwmovnbe材料的金相组织b1，相较a1和a2，从图中我们可看到碳化物减少，残余奥氏体较少；如图4所示，是采用本发明所述的碳氮共渗方法后的16cr3niwmovnbe材料的金相组织b2，相较a1和a2，从图中我们可看到碳化物减少，残余奥氏体较少。对采用现有技术中的碳氮共渗方法后的16cr3niwmovnbe材料和采用本发明所述的碳氮共渗方法后的16cr3niwmovnbe材料分别进行硬度测试，采用现有技术中的碳氮共渗方法后的16cr3niwmovnbe材料的表面硬度在88.5～89.4hr15n，采用本发明所述的碳氮共渗方法后的16cr3niwmovnbe材料的表面硬度在90.0～91.2hr15n，硬度得到提升。

运用本发明的工艺方法于16cr3niwmovnbe材料零件碳氮共渗残奥超级、表面硬度低的问题上，采用复合脉冲碳氮共渗的工艺方法对需共渗的表面进行多次复合脉冲的循环共渗。在进行复合脉冲碳氮共渗前期先用氮气吹扫对渗碳炉内进行换气，共渗时，每个复合脉冲过程中的共渗介质切换时均进行大流量的氮气吹扫，随着复合脉冲碳氮共渗的多次循环，逐步适时地减短通入乙炔和氨气的时间，延长通入氮气的扩散时间，且后一个脉冲时间应大于前一个脉冲时间，通过对碳氮共渗工艺参数的优化，特别是对通入乙炔和氨气的流量及时间的严格控制，炉压始终维持在8±0.5mbar，从而避免复合脉冲碳氮共渗后出现大量的残余奥氏体组织，提高共渗的表面硬度，且表面获得合适的碳、氮浓度及含量百分比，使得16cr3niwmovnbe材料碳氮共渗后满足技术要求。

本发明适用的材料主要为低碳合金渗碳钢，适用的产品主要为对碳氮共渗金相组织及表面硬度要求较高的零件。