18NiCrMo7-6齿轮钢的表面渗碳工艺

18nicrmo7-6齿轮钢的表面渗碳工艺
技术领域
1.本发明属于钢材表面处理技术领域，涉及18nicrmo7-6齿轮钢的表面渗碳工艺。


背景技术：

2.18crnimo7-6渗碳钢，其cr含量在1.5-1.8％，ni含量在1.4-1.7％，作为一种低碳高合金渗碳钢，常用于齿轮。但其表面硬度不够，需要进行渗碳处理。
3.渗碳是指在高温高压下使碳原子渗入金属材料表面层的过程，渗碳既能提高金属材料表面耐磨性和硬度，又能保持金属材料原有内部的韧性和塑性。传统的气体渗碳温度一般为900-930℃，由于温度较低，碳原子扩散较慢，渗碳周期较长，既增加了生产成本又增加了能源浪费。工程上，往往通过提高渗碳温度来提高扩散速度，进而提高渗碳效率；但升高渗碳温度会导致晶粒粗化，晶粒的粗化又会导致淬火后马氏体尺寸粗大，强度不足等问题，影响材料的综合性能。
4.通常，渗碳后的表层组织由碳化物层(也称作白亮层)和扩散层组成。碳化物层硬度高，耐磨性好，但脆性大，不宜过厚；扩散层具有一定耐磨性且强韧性好，综合性能较好。渗碳后希望能获得较薄的碳化物表层和较厚的扩散层，碳化物层硬度大，有效提高耐磨性，扩散层具有足够的强韧性，有效提高疲劳强度和综合性能。为了增加扩散层的厚度，通常采用增加碳势和渗碳时间的方式，但增加碳势和渗碳时间，又会导致碳化物表层过厚；增加碳势和渗碳时间后，在扩散层中碳化物形成元素会在晶界处与c形成碳化物，随着渗碳时间的增加，这些碳化物会形成网状碳化物、棒状碳化物，对材料的综合性能有着不利的影响且较难消除。专利202210744139提出了气体脉冲式真空渗碳处理的方式，其采取重复脉冲式强渗处理，在重复脉冲式强渗处理后，再进行一次扩散。但其需要和渗碳前的加热处理相配合才能达到该技术效果，且其渗碳温度还是较高，为900～1000℃，渗碳周期也比较长。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供了一种18nicrmo7-6齿轮钢的表面渗碳工艺，在不提高渗碳温度的情况下，提升渗碳效率，缩短渗碳周期，还能获得较薄的碳化物层和较厚的扩散层。
6.本发明所采用的技术方案是，18nicrmo7-6齿轮钢的表面渗碳工艺，包括以下步骤：
7.步骤(a)强渗阶段：
8.s1、将18nicrmo7-6齿轮钢工件放置于真空碳化炉内，将18nicrmo7-6齿轮钢工件放置于真空碳化炉内，将真空碳化炉内温度升至840-880℃，通入6-10m3/h的乙炔以及1-3m3/h的氮气，进行渗碳处理；
9.s2、维持温度不变，通入1-3m3/h的氮气；
10.s3、维持温度不变，通入6-10m3/h的乙炔以及1-3m3/h的氮气，进行渗碳处理；
11.s4、维持温度不变，通入1-3m3/h的氮气；
12.重复步骤s3-s4，步骤s3-s4作为基本脉冲单元，每个基本脉冲单元时间为5-7min，
总计处理的时间为6-10h。
13.步骤s3的渗碳时间和步骤s4的时间比为1:1-1:3。
14.步骤(b)分段式降温均温；
15.步骤(c)高温回火；
16.步骤(d)淬火；
17.步骤(e)低温回火。
18.具体的，在步骤(b)中，分段式降温均温具体过程为，降低加热炉炉温，工件随炉降温至750-800℃，保温，出炉空冷至室温；
19.具体的，在步骤(c)中，高温回火具体过程为，将工件放到回火炉中加热至620-680℃，保温，出炉空冷至室温；
20.具体的，在步骤(d)中，淬火具体过程为，将工件加热至800-850℃，保温，然后进行油淬；
21.具体的，在步骤(e)中，低温回火具体过程为，将工件置于回火炉中加热至150-230℃进行低温回火，保温，炉冷至室温。
22.本发明的有益效果为：
23.本发明采用多阶段脉冲式重复渗碳处理工艺对18nicrmo7-6齿轮钢工件进行表面渗碳，在强渗阶段中，每一个渗碳气体脉冲之后，供应氮气进行缓冲，脉冲渗碳阶段供应氮气进行缓冲非常关键，这样的处理方式作为基本脉冲单元，不断重复该基本单元进行多阶段脉冲式重复渗碳，通过该方式，在不提高渗碳温度的情况下，可以提升渗碳效率，缩短渗碳周期，在840-880℃能获得与900～1000℃下相同的渗碳性能，且渗碳时间还有缩短，且不易形成棒状和网状碳化物。本发明还能获得较薄的碳化物层和较厚的扩散层，所得工件的有效扩散层为2.5-3.5mm，表层碳化物层(白亮层)厚度为0.017-0.025mm。
具体实施方式：
24.实施例1：
25.一种18nicrmo7-6齿轮钢的表面渗碳工艺，包括以下步骤：
26.步骤(a)强渗阶段：
27.s1、将18nicrmo7-6齿轮钢工件放置于真空碳化炉内，将真空碳化炉内温度升至840℃，通入6m3/h的乙炔以及2m3/h的氮气，进行渗碳处理；
28.s2、维持温度不变，通入2m3/h的氮气；
29.s3、维持温度不变，通入6m3/h的乙炔以及2m3/h的氮气，进行渗碳处理；
30.s4、维持温度不变，通入2m3/h的氮气；
31.重复步骤s3-s4，步骤s3-s4作为基本脉冲单元，每个脉冲单元时间为5min，总计处理的时间为6h。步骤s3的渗碳时间和步骤s4的时间比为1:1。
32.步骤(b)分段式降温均温：降低加热炉炉温，工件随炉降温至750℃，保温4h，出炉空冷至室温；
33.步骤(c)高温回火，将工件放到回火炉中加热至620℃，保温4h，出炉空冷至室温；
34.步骤(d)淬火，将工件加热至800℃，保温3h，然后进行油淬；
35.步骤(e)低温回火，将工件置于回火炉中加热至200℃进行低温回火，保温6h，炉冷
至室温。
36.实施例2：
37.一种18nicrmo7-6齿轮钢的表面渗碳工艺，包括以下步骤：
38.步骤(a)强渗阶段：
39.s1、将18nicrmo7-6齿轮钢工件放置于真空碳化炉内，将真空碳化炉内温度升至880℃，通入10m3/h的乙炔以及3m3/h的氮气，进行渗碳处理；
40.s2、维持温度不变，通入3m3/h的氮气；
41.s3、维持温度不变，通入10m3/h的乙炔以及3m3/h的氮气，进行渗碳处理；
42.s4、维持温度不变，通入3m3/h的氮气；
43.重复步骤s3-s4，步骤s3-s4作为基本脉冲单元，每个脉冲单元时间为5min，总计处理的时间为6h。步骤s3的渗碳时间和步骤s4的时间比为1:3。
44.步骤(b)分段式降温均温：降低加热炉炉温，工件随炉降温至750℃，保温4h，出炉空冷至室温；
45.步骤(c)高温回火，将工件放到回火炉中加热至620℃，保温4h，出炉空冷至室温；
46.步骤(d)淬火，将工件加热至800℃，保温3h，然后进行油淬；
47.步骤(e)低温回火，将工件置于回火炉中加热至200℃进行低温回火，保温6h，炉冷至室温。
48.实施例3：
49.一种18nicrmo7-6齿轮钢的表面渗碳工艺，包括以下步骤：
50.步骤(a)强渗阶段：
51.s1、将18nicrmo7-6齿轮钢工件放置于真空碳化炉内，将真空碳化炉内温度升至880℃，通入8m3/h的乙炔以及2m3/h的氮气，进行渗碳处理；
52.s2、维持温度不变，通入2m3/h的氮气；
53.s3、维持温度不变，通入8m3/h的乙炔以及2m3/h的氮气，进行渗碳处理；
54.s4、维持温度不变，通入2m3/h的氮气；
55.重复步骤s3-s4，步骤s3-s4作为基本脉冲单元，每个脉冲单元时间为5min，总计处理的时间为6h。步骤s3的渗碳时间和步骤s4的时间比为1:3。
56.步骤(b)分段式降温均温：降低加热炉炉温，工件随炉降温至750℃，保温4h，出炉空冷至室温；
57.步骤(c)高温回火，将工件放到回火炉中加热至620℃，保温4h，出炉空冷至室温；
58.步骤(d)淬火，将工件加热至800℃，保温3h，然后进行油淬；
59.步骤(e)低温回火，将工件置于回火炉中加热至200℃进行低温回火，保温6h，炉冷至室温。
60.对比例1：
61.一种18nicrmo7-6齿轮钢的表面渗碳工艺，包括以下步骤：
62.步骤(a)强渗阶段：将18nicrmo7-6齿轮钢工件放置于真空碳化炉内，将真空碳化炉内温度升至840℃，总计处理的时间为6h。
63.步骤(b)分段式降温均温：降低加热炉炉温，工件随炉降温至750℃，保温4h，出炉空冷至室温；
64.步骤(c)高温回火，将工件放到回火炉中加热至620℃，保温4h，出炉空冷至室温；
65.步骤(d)淬火，将工件加热至800℃，保温3h，然后进行油淬；
66.步骤(e)低温回火，将工件置于回火炉中加热至200℃进行低温回火，保温6h，炉冷至室温。
67.对比例2：
68.一种18nicrmo7-6齿轮钢的表面渗碳工艺，包括以下步骤：
69.步骤(a)强渗阶段：
70.s1、将18nicrmo7-6齿轮钢工件放置于真空碳化炉内，将真空碳化炉内温度升至840℃，通入6m3/h的乙炔以及2m3/h的氮气，进行渗碳处理；
71.s2、重复步骤s1，将步骤s1作为基本脉冲单元，每个脉冲单元时间为5min，总计处理的时间为6h。
72.步骤(b)分段式降温均温：降低加热炉炉温，工件随炉降温至750℃，保温4h，出炉空冷至室温；
73.步骤(c)高温回火，将工件放到回火炉中加热至620℃，保温4h，出炉空冷至室温；
74.步骤(d)淬火，将工件加热至800℃，保温3h，然后进行油淬；
75.步骤(e)低温回火，将工件置于回火炉中加热至200℃进行低温回火，保温6h，炉冷至室温。
76.对比例3：
77.一种18nicrmo7-6齿轮钢的表面渗碳工艺，包括以下步骤：
78.步骤(a)强渗阶段：
79.s1、将18nicrmo7-6齿轮钢工件放置于真空碳化炉内，将真空碳化炉内温度升至840℃，通入6m3/h的乙炔以及2m3/h的氮气，进行渗碳处理；
80.s2、重复步骤s1，将步骤s1作为基本脉冲单元，每个脉冲单元时间为5min，总计处理的时间为6h。
81.步骤(b)渗碳结束后，工件继续在加热室，停止加热，脉冲方式充入氮气，缓慢降至750℃，保温4h，出炉空冷至室温；
82.步骤(c)高温回火，将工件放到回火炉中加热至620℃，保温4h，出炉空冷至室温；
83.步骤(d)淬火，将工件加热至800℃，保温3h，然后进行油淬；
84.步骤(e)低温回火，将工件置于回火炉中加热至200℃进行低温回火，保温6h，炉冷至室温。
85.对比例4：
86.一种42crmo4齿轮钢的表面渗碳工艺，包括以下步骤：
87.步骤(a)强渗阶段：
88.s1、将18nicrmo7-6齿轮钢工件放置于真空碳化炉内，将真空碳化炉内温度升至840℃，通入6m3/h的乙炔以及2m3/h的氮气，进行渗碳处理；
89.s2、维持温度不变，通入2m3/h的氮气；
90.s3、维持温度不变，通入6m3/h的乙炔以及2m3/h的氮气，进行渗碳处理；
91.s4、维持温度不变，通入2m3/h的氮气；
92.重复步骤s3-s4，步骤s3-s4作为基本脉冲单元，每个脉冲单元时间为5min，总计处
理的时间为6h。步骤s3的渗碳时间和步骤s4的时间比为1:1。
93.步骤(b)分段式降温均温：降低加热炉炉温，工件随炉降温至750℃，保温4h，出炉空冷至室温；
94.步骤(c)高温回火，将工件放到回火炉中加热至620℃，保温4h，出炉空冷至室温；
95.步骤(d)淬火，将工件加热至800℃，保温3h，然后进行油淬；
96.步骤(e)低温回火，将工件置于回火炉中加热至200℃进行低温回火，保温6h，炉冷至室温。
97.对比例5：
98.一种18nicrmo7-6齿轮钢的表面渗碳工艺，包括以下步骤：
99.步骤(a)强渗阶段：将18nicrmo7-6齿轮钢工件放置于真空碳化炉内，将真空碳化炉内温度升至940℃，持续通入6m3/h的乙炔以及2m3/h的氮气，进行渗碳处理；总计处理的时间为6h。步骤(b)分段式降温均温：降低加热炉炉温，工件随炉降温至750℃，保温4h，出炉空冷至室温；
100.步骤(c)高温回火，将工件放到回火炉中加热至620℃，保温4h，出炉空冷至室温；
101.步骤(d)淬火，将工件加热至800℃，保温3h，然后进行油淬；
102.步骤(e)低温回火，将工件置于回火炉中加热至200℃进行低温回火，保温6h，炉冷至室温。
103.对比例6
104.与对比例5的区别在于，步骤(a)强渗阶段总计处理的时间为10h，其余处理过程均相同。
105.对实施例1-3和对比例1-6获得的表面渗碳后齿轮钢进行性能检测，结构如表1所示；实施例1-3检测结果：材料的表层硬度为59-64hrc；扩散层为2.5-3.5mm；表层碳化物弥散分部，表层碳化物层(白亮层)厚度为0.017-0.025mm。综上所示，材料渗碳结果判定为合格。
106.通过实施例1与对比例1-3可知，本发明提供的多阶段脉冲式重复渗碳处理工艺，在强渗阶段中，每一个渗碳气体脉冲之后，供应氮气进行缓冲，脉冲渗碳阶段供应氮气进行缓冲非常关键，以这样的处理方式作为基本脉冲单元，不断重复该基本单元进行多阶段脉冲式重复渗碳。通过该方式，在不提高渗碳温度的情况下，可以提升渗碳效率，缩短渗碳周期，在840-880℃能获得与900～1000℃下相同的渗碳性能，且渗碳时间还有缩短，且不易形成棒状和网状碳化物。本发明还能获得较薄的碳化物层和较厚的扩散层，所得工件的有效扩散层为2.5-3.5mm，表层碳化物层(白亮层)厚度为0.017-0.025mm。
107.通过实施例1与对比例4可知，本发明的处理工艺用于同样是齿轮钢的42crmo4后，表层碳化物层厚度过厚，扩散层厚度较低，不能满足要求，用于不同的钢种，需要对工艺进一步进行改进优化。
108.对比例6与实施例1的性能相当，但渗碳温度为940℃(本发明为840-880℃)，渗碳时间显著增加，且表面碳化物层厚度显著增加，容易形成棒状和网状碳化物，成为后期可能的疲劳裂纹源。可见，本发明在不提高渗碳温度的情况下，可以提升渗碳效率，缩短渗碳周期，在840-880℃能获得与900～1000℃下相同的渗碳性能，且渗碳时间还有缩短，且不易形成棒状和网状碳化物。
109.表1齿轮钢渗碳后的试验结果
[0110][0111]

技术特征：
1.18nicrmo7-6齿轮钢的表面渗碳工艺，其特征在于，包括以下步骤：步骤(a)强渗阶段：s1、将18nicrmo7-6齿轮钢工件放置于真空碳化炉内，将真空碳化炉内温度升至840-880℃，通入6-10m3/h的乙炔以及1-3m3/h的氮气，进行渗碳处理；s2、维持温度不变，通入1-3m3/h的氮气；s3、维持温度不变，通入6-10m3/h的乙炔以及1-3m3/h的氮气，进行渗碳处理；s4、维持温度不变，通入1-3m3/h的氮气；重复步骤s3-s4，步骤s3-s4作为基本脉冲单元，每个基本脉冲单元时间为5-7min，总计处理的时间为6-10h；步骤s3的渗碳时间和步骤s4的时间比为1:1-1:3；步骤(b)分段式降温均温；步骤(c)高温回火；步骤(d)淬火；步骤(e)低温回火。2.根据权利要求1所述的18nicrmo7-6齿轮钢的表面渗碳工艺，其特征在于，步骤(b)中，分段式降温均温具体过程为，降低加热炉炉温，工件随炉降温至750-800℃，保温，出炉空冷至室温。3.根据权利要求1所述的18nicrmo7-6齿轮钢的表面渗碳工艺，其特征在于，在步骤(c)中，高温回火具体过程为，将工件放到回火炉中加热至620-680℃，保温，出炉空冷至室温。4.根据权利要求1所述的18nicrmo7-6齿轮钢的表面渗碳工艺，其特征在于，在步骤(d)中，淬火具体过程为，将工件加热至800-850℃，保温，然后进行油淬。5.根据权利要求1所述的18nicrmo7-6齿轮钢的表面渗碳工艺，其特征在于，在步骤(e)中，低温回火具体过程为，将工件置于回火炉中加热至150-230℃进行低温回火，保温，炉冷至室温。

技术总结
本发明公开了18NiCrMo7-6齿轮钢的表面渗碳工艺，包括强渗，S1、将齿轮钢工件放于真空碳化炉内，将炉温升至840-880℃，通入6-10m3/h的乙炔和1-3m3/h的氮气，进行渗碳处理；S2、维持温度不变，通入1-3m3/h的氮气；S3、通入6-10m3/h的乙炔和1-3m3/h的氮气，进行渗碳处理；S4、通入1-3m3/h的氮气；重复步骤S3-S4，步骤S3-S4作为基本脉冲单元，每个基本脉冲单元时间为5-7min，总计处理时间为6-10h，然后分段式降温均温、高温回火、淬火、低温回火。本发明在不提高渗碳温度的情况下，提升了渗碳效率，能获得较薄的碳化物层和较厚的扩散层。薄的碳化物层和较厚的扩散层。


技术研发人员：赵娜娜 陈思霖 杜蒙阳 邹军涛 姚特立 钟黎声 许云华
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/8/9