一种利用碳氮双渗双梯度淬火在渗碳钢表面获得超高强韧化渗层的方法技术

一种利用碳氮双渗双梯度淬火在渗碳钢表面获得超高强韧化渗层的方法，涉及一种在渗碳钢表面获得超高强韧化渗层的方法。目的是解决现有渗碳钢表面的耐磨性能和抗疲劳性能差的问题。方法：渗碳钢零件渗碳处理，进行梯度淬火处理，然后进行渗氮处理或氮碳共渗处理，再进行梯度淬火处理，最后回火处理。本发明专利技术处理后的渗碳钢零件的表层具有纳米晶+超细晶+弥散碳化物渗层组织，利用超细晶/纳米晶强韧化和渗入元素析出沉淀强化/固溶强化复合来实现渗层性能的超高强韧化，因此渗碳钢零件的耐磨性能和抗疲劳性能得到改善，实现了长寿命高可靠表面改性。本发明专利技术适用于渗碳钢表面超高强韧化处理。

A Method of Obtaining Ultra-High Strength and Toughening Layer on Carburized Steel Surface by Double Gradient Carbonitriding Quenching

A method of obtaining super-high strength and toughening carburized layer on the surface of carburized steel by double-gradient quenching of Carbonitriding involves a method of obtaining super-high strength and toughening carburized layer on the surface of carburized steel. The purpose is to solve the problem of poor wear resistance and fatigue resistance of existing carburized steel surface. Methods: Carburized steel parts were carburized and gradient quenched, then nitrided or nitrocarburized, then gradient quenched, and finally tempered. The surface layer of the carburized steel parts treated by the present invention has the structure of nanocrystalline+ultrafine grain+dispersed carbide carburizing layer. The super-high strength and toughness of the carburized steel parts are realized by the combination of ultrafine grain/nanocrystalline strengthening and toughening and precipitation strengthening/solution strengthening of infiltrating elements. Therefore, the wear resistance and fatigue resistance of the carburized steel parts are improved, and the long life and high reliability surface modification is realized. The invention is suitable for super high strength and toughening treatment of the surface of carburized steel.

【技术实现步骤摘要】
一种利用碳氮双渗双梯度淬火在渗碳钢表面获得超高强韧化渗层的方法
本专利技术涉及一种在渗碳钢表面获得超高强韧化渗层的方法。
技术介绍
随着机械、航空领域的发展，轴承、齿轮等在高速、重载及高温服役过程中要求具有较高的耐磨性能和抗疲劳性能。目前国内外的高速重载齿轮采用的钢种主要为渗碳钢，渗碳钢包括低碳合金钢和中碳合金钢，低碳合金钢一般采用渗碳淬火处理，而中碳合金则采用氮化处理。由于材料的失效(例如磨损、疲劳、腐蚀等)一般发生在表面，所以渗碳钢表面改性一直受到材料研究者们关注的热点。渗碳钢常见的表面改性方法为化学热处理方法，即热扩渗方法，它包括渗氮、渗碳以及氮碳共渗等。渗碳工艺可以在钢表面获得厚的渗层，但是碳化物极易沿晶界析出，形成网状或大块状碳化物，这些缺陷不但会降低渗层的物理和化学性能，而且在随后的淬火和加工过程中会引起应力集中，导致渗层龟裂。此外，工件渗碳后表层往往存在大量残余奥氏体非马氏体组织等，降低了渗层的硬度，削弱了渗层的耐磨性能和抗疲劳性能。渗氮工艺可获得较高的表面硬度和有效提高材料的力学性能，但渗层相对较浅。目前，渗氮工艺中对于钢件的耐磨性和抗接触疲劳性能的改善工艺有两种方式：一种是渗氮后再淬火加回火，另一种是使渗氮层厚度达到0.4～0.5mm及以上。其中，前一种渗氮后再淬火加回火工艺与常规渗碳工艺相似，尽管可以获得较厚的渗层深度，但是经渗氮后再淬火加回火工艺处理后的零件变形大，需要增加后续磨齿工序。对后一种方式，尽管采用渗氮速度较快的等离子体渗氮技术能够使渗层厚度达到0.4～0.5mm，但是表面硬度低，仅为600～650HV0.1，且所用时间较长，如中碳合金钢采用离子渗氮工艺处理一般也需要30～40h以上才能达到0.4～0.5mm的渗层厚度，而要达到0.7mm的渗层厚度需要60h以上，因此，采用单一的渗氮工艺制备厚度较大的渗层时难度大。综上，现有渗碳淬火工艺会造成工件表层出现网状或大块状碳化物，以及残余奥氏体和非马氏体组织等，降低了渗层的硬度，进而削弱了渗层的耐磨性能和抗疲劳性能。现有的渗氮工艺制备厚度较大的渗层时存在难度大的问题。因此，开发一种既可以提高材料表面硬度，又可以使渗层增厚的工艺方法，从而有效地提高材料的耐磨性能与抗疲劳性能，具有十分重要的理论研究意义和实际应用价值。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有渗碳钢表面的耐磨性能和抗疲劳性能差的问题，提出一种利用碳氮双渗双梯度淬火在渗碳钢表面获得超高强韧化渗层的方法。本专利技术利用碳氮双渗双梯度淬火在渗碳钢表面获得超高强韧化渗层的方法按以下步骤进行：一、将渗碳钢零件置于渗碳炉内进行渗碳处理，然后在渗碳炉内直接进行梯度淬火处理，得到渗碳梯度淬火钢零件；所述渗碳处理采用的渗碳工艺为气体渗碳工艺、真空渗碳工艺、等离子体渗碳工艺、气体稀土渗碳工艺、真空稀土渗碳工艺或等离子体稀土渗碳工艺；二、将步骤一得到的渗碳梯度淬火钢零件置于渗氮炉内进行渗氮处理或氮碳共渗处理，得到碳氮双渗梯度淬火钢零件；所述渗氮处理采用的工艺为气体渗氮工艺、真空渗氮工艺、等离子体渗氮工艺、气体稀土渗氮工艺、真空稀土渗氮工艺或等离子体稀土渗氮工艺；所述氮碳共渗处理采用的工艺为气体氮碳共渗工艺、真空氮碳共渗工艺、等离子体氮碳共渗工艺、气体稀土氮碳共渗工艺、真空稀土氮碳共渗工艺或等离子体稀土氮碳共渗工艺；三、将步骤二得到的碳氮双渗梯度淬火钢零件转移至淬火炉内，进行梯度淬火处理，得到碳氮双渗双梯度淬火钢零件；四、将步骤三得到的碳氮双渗双梯度淬火钢零件进行低温回火处理或中温回火处理，即完成。本专利技术原理及有益效果为：1、本专利技术首先通过渗碳加梯度淬火处理获得深层渗碳层，再通过渗氮或氮碳共渗处理，在渗层组织中形成氮化物相和或过饱和固溶体相，同时获得超细晶或纳米晶，然后通过梯度淬火处理进一步在渗层中析出氮化物或碳化物，获得纳米级氮化物和或碳化物析出相和超细晶组织。因此本专利技术方法处理后的渗碳钢零件的表层形成纳米晶+超细晶+弥散碳化物渗层组织，渗层组织的外层为晶粒尺寸＜100nm的纳米晶，中间层为微米级超细晶，内层为弥散型纳米氮化物和或碳化物颗粒；利用超细晶/纳米晶强韧化和渗入元素析出沉淀强化/固溶强化复合来实现渗层性能的超高强韧化，因此渗碳钢零件的耐磨性能和抗疲劳性能得到改善。2、本专利技术利用两次梯度淬火，实现碳化物和或氮化物的析出，氮化物和或碳化物的析出的同时，实现渗入元素往基体渗入的过程，并够获得超细晶/纳米晶组织，因此本专利技术能够在相对较短的时间内获得较深的渗层深度和渗层组织的超细化/纳米化。两次梯度淬火能够有效抑制氮化物和或碳化物的长大和残余奥氏体及非马组织的形成，避免渗层组织的恶化，为获得超细晶或纳米晶组织创造了条件，进而实现渗层性能的超高强韧化。3、本专利技术方法处理后的渗碳钢零件的性能具体为：表面硬度＞1000HV0.1，表层摩擦系数＜0.4，表层压应力＞700MPa。常见的渗碳钢的渗碳淬火工艺为：在860～980℃条件下气体渗碳1～30h，然后在惰性气体中冷却至室温完成淬火处理，最后进行低温回火或中温回火；其中，低温回火温度为150～200℃，中温回火温度为450～650℃；在相同处理时间下，本专利技术方法处理后的渗碳钢零件表面的有效硬化层厚度与常见的渗碳淬火工艺相比提高了25％。4、本专利技术方法适用于重载齿轮、轴承等关键零部件和工模具的长寿命高可靠表面改性。附图说明图1为本专利技术利用碳氮双渗双梯度淬火在渗碳钢表面获得超高强韧化渗层的方法的工艺曲线；图2为实施例3处理得到的M50NiL钢表面碳氮双渗双梯度渗层金相组织光学显微照片；图3为实施例3处理得到的M50NiL钢的渗氮层的TEM照片；图4为实施例3处理得到的M50NiL钢的渗氮层的TEM的衍射环照片；图5为实施例3处理得到的M50NiL钢的渗层显微硬度分布曲线对比图；图中曲线1对应现有的渗碳淬火工艺，曲线2对应实施例3；图6为实施例3处理得到的M50NiL钢的渗层的摩擦系数曲线对比图；图中曲线1对应现有的渗碳淬火工艺，曲线2对应实施例3；图7为实施例3处理得到的M50NiL钢的渗层的磨损率柱状对比图；图中曲线1对应现有的渗碳淬火工艺，曲线2对应实施例3。具体实施方式：本专利技术技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。具体实施方式一：本实施方式利用碳氮双渗双梯度淬火在渗碳钢表面获得超高强韧化渗层的方法按以下步骤进行：一、将渗碳钢零件置于渗碳炉内进行渗碳处理，然后在渗碳炉内直接进行梯度淬火处理，得到渗碳梯度淬火钢零件；所述渗碳处理采用的渗碳工艺为气体渗碳工艺、真空渗碳工艺、等离子体渗碳工艺、气体稀土渗碳工艺、真空稀土渗碳工艺或等离子体稀土渗碳工艺；二、将步骤一得到的渗碳梯度淬火钢零件置于渗氮炉内进行渗氮处理或氮碳共渗处理，得到碳氮双渗梯度淬火钢零件；所述渗氮处理采用的工艺为气体渗氮工艺、真空渗氮工艺、等离子体渗氮工艺、气体稀土渗氮工艺、真空稀土渗氮工艺或等离子体稀土渗氮工艺；所述氮碳共渗处理采用的工艺为气体氮碳共渗工艺、真空氮碳共渗工艺、等离子体氮碳共渗工艺、气体稀土氮碳共渗工艺、真空稀土氮碳共渗工艺或等离子体稀土氮碳共渗工艺；三、将步骤二得到的碳氮双渗梯度淬火钢零件转移至淬火炉内，进行梯度淬火处理，得到碳氮双本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用碳氮双渗双梯度淬火在渗碳钢表面获得超高强韧化渗层的方法，其特征在于：该方法按以下步骤进行：一、将渗碳钢零件置于渗碳炉内进行渗碳处理，然后在渗碳炉内直接进行梯度淬火处理，得到渗碳梯度淬火钢零件；所述渗碳处理采用的渗碳工艺为气体渗碳工艺、真空渗碳工艺、等离子体渗碳工艺、气体稀土渗碳工艺、真空稀土渗碳工艺或等离子体稀土渗碳工艺；二、将步骤一得到的渗碳梯度淬火钢零件置于渗氮炉内进行渗氮处理或氮碳共渗处理，得到碳氮双渗梯度淬火钢零件；所述渗氮处理采用的工艺为气体渗氮工艺、真空渗氮工艺、等离子体渗氮工艺、气体稀土渗氮工艺、真空稀土渗氮工艺或等离子体稀土渗氮工艺；所述氮碳共渗处理采用的工艺为气体氮碳共渗工艺、真空氮碳共渗工艺、等离子体氮碳共渗工艺、气体稀土氮碳共渗工艺、真空稀土氮碳共渗工艺或等离子体稀土氮碳共渗工艺；三、将步骤二得到的碳氮双渗梯度淬火钢零件转移至淬火炉内，进行梯度淬火处理，得到碳氮双渗双梯度淬火钢零件；四、将步骤三得到的碳氮双渗双梯度淬火钢零件进行低温回火处理或中温回火处理，即完成。

【技术特征摘要】
1.一种利用碳氮双渗双梯度淬火在渗碳钢表面获得超高强韧化渗层的方法，其特征在于：该方法按以下步骤进行：一、将渗碳钢零件置于渗碳炉内进行渗碳处理，然后在渗碳炉内直接进行梯度淬火处理，得到渗碳梯度淬火钢零件；所述渗碳处理采用的渗碳工艺为气体渗碳工艺、真空渗碳工艺、等离子体渗碳工艺、气体稀土渗碳工艺、真空稀土渗碳工艺或等离子体稀土渗碳工艺；二、将步骤一得到的渗碳梯度淬火钢零件置于渗氮炉内进行渗氮处理或氮碳共渗处理，得到碳氮双渗梯度淬火钢零件；所述渗氮处理采用的工艺为气体渗氮工艺、真空渗氮工艺、等离子体渗氮工艺、气体稀土渗氮工艺、真空稀土渗氮工艺或等离子体稀土渗氮工艺；所述氮碳共渗处理采用的工艺为气体氮碳共渗工艺、真空氮碳共渗工艺、等离子体氮碳共渗工艺、气体稀土氮碳共渗工艺、真空稀土氮碳共渗工艺或等离子体稀土氮碳共渗工艺；三、将步骤二得到的碳氮双渗梯度淬火钢零件转移至淬火炉内，进行梯度淬火处理，得到碳氮双渗双梯度淬火钢零件；四、将步骤三得到的碳氮双渗双梯度淬火钢零件进行低温回火处理或中温回火处理，即完成。2.根据权利要求1所述的利用碳氮双渗双梯度淬火在渗碳钢表面获得超高强韧化渗层的方法，其特征在于：步骤一所述渗碳钢零件的材质为低碳合金钢或中碳合金钢。3.根据权利要求1或2所述的利用碳氮双渗双梯度淬火在渗碳钢表面获得超高强韧化渗层的方法，其特征在于：步骤一所述气体渗碳工艺、真空渗碳工艺和等离子体渗碳工艺的温度为9...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫牧夫，王兴安，刘瑞良，张雁祥，张程菘，徐跃明，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23