一种金属工件性能强化工艺制造技术

本发明专利技术涉及一种金属工件性能强化工艺，通过对金属工件进行锻造、退火、机械加工、热处理、工作区域抛光、表面预处理、预热、氮碳共渗盐浴处理、氧化盐浴处理和冷却处理等一系列处理，能够减小金属工件在热处理后的变形，并大幅度提高金属工件的耐磨性、抗蚀性，达到外侧具有较高硬度，内部具有较好金属韧性的工件，该工艺具备良好应用前景。

A Process for Strengthening the Performance of Metal Workpieces

The present invention relates to a performance strengthening process for metal workpiece, which can reduce the deformation of metal workpiece after heat treatment and greatly improve the wear resistance of metal workpiece by a series of treatments, such as forging, annealing, mechanical processing, heat treatment, polishing of working area, surface pretreatment, preheating, nitrocarburizing salt bath treatment, oxidizing salt bath treatment and cooling treatment. The process has good application prospects because of its corrosion resistance, high hardness on the outside and good metal toughness on the inside.

【技术实现步骤摘要】
一种金属工件性能强化工艺
本专利技术涉及一种金属加工方法，特别涉及一种金属工件性能强化工艺。
技术介绍
随着我国制造业的迅速发展，加工行业发展迅猛，各种工件的生产加工需求大大增加，而大多金属工件在使用前都需要进行热处理工序；而工件热处理变形是工件处理过程的主要缺陷之一，对一些精密复杂工件，常因热处理变形而报废，因此控制精密复杂工件的变形一直成为热处理生产中的关键问题；众所周知，工件在热处理时，特别是在淬火过程中，由于工件截面各部分加热和冷却速度的不一致而引起的温度差，加之组织转变的不等时性等原因，使得工件截面各部分体积胀缩不均匀，组织转变的不均匀，从而引起“组织应力”和工件内外温差所引起的热应力，当其内应力超过工件的屈服极限时,就会引起工件的变形。一些厂家为了保证工件达到较高硬度，认为需提高淬火加热温度；但是生产实践表明，这种做法是不恰当的，对于复杂工件，同样是采用正常的加热温度下进行加热淬火，在允许的上限温度加热后的热处理变形要比在允许的下限温度加热的热处理变形大得多；众所周知，淬火加热温度越高，钢的晶粒越趋长大，由于较大晶粒能使淬透性增加，则使淬火冷却时产生的应力越大；再之，由于复杂工件大多由中高合金钢制造，如果淬火温度高，则因Ms点低，组织中残留奥氏体量增多，加大工件热处理后变形。因此，在保证工件的技术条件的情况下合理选择热处理工艺能够减少复杂的热处理变形。
技术实现思路
影响金属工件性能的主要因素为工件的材料及热处理工艺，要改变金属工件的某种性能可以通过调整成分和热处理工艺来实现。对于热处理工艺基本确定的材料，可以通过添加合金元素来改变钢铁材料性能；合金元素是指在材料中有目的的加入，在合金熔炼、冷却、热处理过程中利用其特有的性能，如产生新的固溶体及金属化合物来改变材料的某种性能。金属工件经常承受挤压、高温、反复循环应力的作用，在挤压过程中产生的热效应、摩擦等产生的温升，使工件的温度达到很高的程度，因此在长时间的高温作用下，金属工件与其他零件之间的摩擦状态恶化，工件的强度降低，导致塑性变形的发生，从而引起工件破损和早期失效；有时，工件在工作时承受了相当高的压力，又加上高温和长时间作用，往往会超过工件材料的许用应力而损坏；同时，工件在反复循环、挤压交变的应力作用下，也极易产生疲劳破坏。影响金属工件使用寿命的因素有很多，除了正确的设计和合理的使用外，工件加工过程中各个工序对工件的使用寿命也有很大的影响；为提高金属工件的使用寿命，本专利技术对金属工件制造过程的各个工序和使用工艺进行了改进。本专利技术的目的是为了解决
技术介绍
而提出的一种金属工件性能强化工艺，能够减小金属工件在热处理后的变形，并大幅度提高金属工件的耐磨性、抗蚀性，达到外侧具有较高硬度，内部具有较好金属韧性的金属工件。为提高金属工件的使用寿命，本专利技术对金属工件制造过程的各个工序和使用工艺进行了改进：钢材锻造前，需要对钢材表面或内部无损探伤，以确保材质质量。钢材中合金元素含量较高，锻造时变形抗力较大。因此，锻造温度控制在1100～1160℃之间，保证加热均匀，坯料在炉膛内翻转90°，翻转次数不能少于2次；锻造过程中，必须通过多次镦粗拔长，总锻造比≥3，各工序镦粗比≥2。开锤时，先轻锤快打，然后逐渐加重，随后再轻打，应避免连续重打，严禁冷锤。通过对钢材的锻造，可达到下述目的：（1）改进钢材致密度，使组织均匀；（2）改变钢材的流线方向，以改善其力学性能和使用性能；（3）消除块状、网状及带状碳化物，使其组织均匀细小，以改善热处理性能。为防止产生锻造裂纹，锻后缓冷，并及时退火以消除锻造应力，降低硬度，提高机加工切削性能。具体退火方法为：将钢材放置于炉中进行加热，控制温度在850～885℃之间，保温时间为2-4h，然后控制炉内温度在715～735℃之间，保温时间为3-4h，以≦40℃/h的速率进行降温，当温度≦50℃时出炉；退火后的组织由球状珠光体和少量的粒状碳化物组成，其退火硬度HB190～230。机械加工的质量和工艺对金属工件寿命有直接影响；对常规金属工件，应按照粗加工→热处理→精加工的工序进行，粗加工后期应尽量减少进刀量；对于工作部分的圆角R，应放在热处理后进行加工，表面粗糙度一般为Ra5；铣削质量要控制铣削加工分流口、分流桥、焊合腔平面的尺寸精度和加工表面精度；磨削时采用切削力强、粘结性较差的粗颗粒中软砂轮，并严格控制进给量，在加工时对工件进行冷却，以防止工件表面因为快速磨削过引起的龟裂而在热挤压时易发展成网状裂纹；磨削后进行一次低温防氧化回火。合理的热处理工艺是提高工件寿命的关键；工件在工作时不但要承受很大的挤压力，而且还要承受激冷激热的考验，这就要求工件不但在高温下有足够的红硬性，还要有足够的抗热疲劳性能；随淬火温度的升高，钢材淬火后硬度升高；这是因为钢材退火组织中存在大量碳化物，这些碳化物在淬火加热时，随加热温度的升高，逐渐溶入奥氏体，使奥氏体中的碳及合金元素的量增加，因此淬火后钢的硬度增加；且淬火温度在达到1050℃的时硬度达到最大，因此确定淬火温度为1050±10℃。因此，在钢材淬火处理加热过程中，要先采用两段预热，然后再升至淬火温度；两段预热的目的是为了避免过快的加热会在工件内形成的温度梯度所引起的应力导致工件的畸变，还可有效地促进奥氏体均匀化。一般钢材大都采用540～650℃×3h高温回火，以提高工件的韧性和减少残余奥氏体在工件中发生转变而引起脆性；在正常淬火温度下淬火后，随回火温度的升高，硬度开始下降，但下降到一定程度后硬度又开始上升，约在520℃左右回火时，硬度达最高值，之后再随回火温度的升高，硬度又开始下降；因为随回火温度的升高，马氏体中析出碳化物，马氏体中含碳量下降，钢的硬度下降，当回火温度升高到一定温度时，从马氏体中析出了特殊碳化物，造成“二次硬化”，使钢的硬度再次升高；但是钢材在二次硬化的同时会出现第二类回火脆性，显著降低冲击韧性，这是因为回火时在马氏体板条间析出较大的碳化物，以及回火快冷时奥氏体转变为马氏体的缘故，为了避免在脆性发展区内回火，并且考虑到在610℃以上时硬度又较低，因此确定回火温度在550～610℃之间。此外，为了消除或减轻回火脆性，还需要采用二次回火，第二次回火温度低于第一次回火温度约20℃，保温时间缩短20～25%。45钢回火后的最终热处理组织是：回火马氏体＋少量粒状碳化物。根据以上分析，确定改进后工件制造的热处理工艺为：（1）淬火：670℃预热，保温1h后，升温到810℃，保温1～2h，再升温到1050±10℃，保温2.5h，油淬，降温到150℃以后空冷；（2）淬火后2h内进行550～610℃回火，保温2h，出炉后冷却至常温后进行二次回火，温度540～580℃，保温1.5～2h，出炉冷却。整个热处理过程采用真空加热，具有以下几个优点：（1）被加热工件受热均匀，热处理变形小；（2）（2）抑制了工件表面氧化脱碳；（3）（3）净化工件表面，对提高耐磨性、抗疲劳强度有明显效果。经热处理工序后，工件表面硬度达到HRC49～53。当工件在线切割、电火花加工时，表面会产生再凝固层（俗称白亮层），该层的硬度高、脆性大、微裂纹较多，使工件的断裂抗力下降，易出现早期断裂。因此，在线切割和电火花加工工序后进行一次490～本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属工件性能强化工艺，其特征在于，依次包括如下步骤：1）锻造：对预热后的钢材进行锻造处理，锻造温度控制在1100～1160℃之间，保证加热均匀，坯料在炉膛内翻转90°，翻转次数不能少于2次，锻造过程中，通过多次镦粗拔长，控制总锻造比≧3，各工序镦粗比≧2；2）退火：将钢材放置于退火炉中进行退火处理；3）机械加工：按照粗加工、热处理、精加工的工序对钢材进行机械加工处理，并在磨削后进行一次低温防氧化回火处理；4）热处理：将工件输送至淬火炉中进行淬火处理，670℃预热，保温1h后，升温到810℃，保温1～2h，再升温到1050±10℃，保温2.5h后进行油淬，降温到150℃以后空冷；淬火后2h内在550～610℃之间进行回火，保温2h，出炉后冷却至常温后进行二次回火，温度控制在540～580℃之间，保温1.5～2h，出炉冷却；5）在线切割和电火花加工工序后进行一次490～530℃，保温时间2～3h的补充回火；6）工作区域抛光：采用抛光机对工件的工作区域进行抛光处理，保证其平面度以及与挤压方向平行度；7）表面预处理：金属连接件在进入盐浴炉之前，对金属连接件表面的污垢、铁锈以及油脂进行清洗，清洗后，对金属连接件进行干燥；8）预热：将烘干后的金属连接件放置于空气炉中进行预热，控制预热温度在350～400℃，预热时间20～40min；9）氮碳共渗盐浴处理：将预热后的金属连接件放置于氮碳共渗盐浴炉进行氮碳共渗处理，加入含钛氧化物以及铝粉,加入含钛氧化物和铝粉的质量百分比为：3:4,在生产过程中当氮碳共渗盐浴炉中盐浴的氰酸根下降时，定期向氮碳共渗盐浴炉中加调整盐，以使盐浴中的氰酸根浓度保持在32～36%之间，氮碳共渗盐浴温度控制在540～580℃，时间2～4h,控制盐浴中钛的质量百分比含量维持在1.0～1.2%之间；10）氧化盐浴处理：将预热后的金属连接件放置于氧化盐浴炉进行氧化处理，氧化盐浴温度控制在350～400℃，盐浴时间15～30min；11）冷却处理：将氧化盐浴后的金属连接件置于工件架中在室温下进行空冷。...

【技术特征摘要】
1.一种金属工件性能强化工艺，其特征在于，依次包括如下步骤：1）锻造：对预热后的钢材进行锻造处理，锻造温度控制在1100～1160℃之间，保证加热均匀，坯料在炉膛内翻转90°，翻转次数不能少于2次，锻造过程中，通过多次镦粗拔长，控制总锻造比≧3，各工序镦粗比≧2；2）退火：将钢材放置于退火炉中进行退火处理；3）机械加工：按照粗加工、热处理、精加工的工序对钢材进行机械加工处理，并在磨削后进行一次低温防氧化回火处理；4）热处理：将工件输送至淬火炉中进行淬火处理，670℃预热，保温1h后，升温到810℃，保温1～2h，再升温到1050±10℃，保温2.5h后进行油淬，降温到150℃以后空冷；淬火后2h内在550～610℃之间进行回火，保温2h，出炉后冷却至常温后进行二次回火，温度控制在540～580℃之间，保温1.5～2h，出炉冷却；5）在线切割和电火花加工工序后进行一次490～530℃，保温时间2～3h的补充回火；6）工作区域抛光：采用抛光机对工件的工作区域进行抛光处理，保证其平面度以及与挤压方向平行度；7）表面预处理：金属连接件在进入盐浴炉之前，对金属连接件表面的污垢、铁锈以及油脂进行清洗，清洗后，对金属连接件进行干燥；8）预热：将烘干后的金属连接件放置于空气炉中进行预热，控制预热温度在350～400℃，预热时间20～40min；9）氮碳共渗盐浴处理：将预热后的金属连接件放置于氮碳共渗盐浴炉进行氮碳共渗处理，加入含钛氧化物以及铝粉,加入含钛氧化物和铝粉的质量百分比为：3:4,在生产过程中当氮碳共渗盐浴炉中盐浴的氰酸根下降时，定期向氮碳共渗盐浴炉中加调整盐，以使盐浴中的氰酸根浓度保持在32～36%之间，氮碳共渗盐浴温度控制在540～580℃，时间2～4h,控制盐浴中钛的质量百分比含量维持在1.0～1.2%之间；10）氧化盐浴处理：将预热后的金属连接件放置于氧化盐浴炉进行氧化处理，氧化盐浴温度控制在350～400℃，盐浴时间15～30min；11）冷却处理：将氧化盐浴后的金属连接件置于工件架中在室温下进行空冷。2.根据权利要求1所述的一种金属工件...

【专利技术属性】
技术研发人员：荆建军，肖力，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：广东,44