一种合金渗碳钢齿轮的快速中温碳氮共渗工艺制造技术

本发明专利技术提供一种合金渗碳钢齿轮的快速中温碳氮共渗工艺，所述工艺将齿轮在低于奥氏体化的临界温度中碳氮气氛预处理，之后将齿轮在840

【技术实现步骤摘要】
一种合金渗碳钢齿轮的快速中温碳氮共渗工艺


[0001]本专利技术属于金属材料热处理领域，涉及一种合金渗碳钢齿轮的快速中温碳氮共渗工艺。

技术介绍

[0002]汽车变速箱齿轮是连接发动机以驱动车轮转动的核心部件，承担着应力的传递作用。齿轮是通过齿面的接触来传递动力，因而齿面往往处于具有较高接触应力、摩擦力、交变应力和冲击应力的复杂工况环境，从而导致齿面接触疲劳、弯曲疲劳、点蚀剥落和断裂成为齿轮零件的主要失效形式，显著降低齿轮零件的使用寿命。因此，如何在齿轮表面获得高硬度、高耐磨性能是保障齿轮工作可靠性和服役长寿命的关键。表面渗碳、碳氮共渗等表面化学热处理成为改善齿轮表层组织和服役性能的主要手段。
[0003]目前，常规的齿轮渗碳工艺均在920
‑
940℃下进行，一方面处理温度偏高，不利于控制齿轮的热处理变形，另一方面需要较长的处理时间。例如，若需要1mm厚度的渗层，一般需要处理12
‑
15小时左右。可见，渗碳处理温度偏高，对热处理变形的控制难度大，且成本高。而碳氮共渗工艺则可以显著降低齿轮的化学热处理温度和时间，同时由于氮原子的渗入，可有效提高合金的淬透性、硬度和保留足够的韧性等。
[0004]然而，传统的碳氮共渗处理，碳、氮原子的渗入速度较慢，常常容易出现表层内氧化和非马氏体组织等表面缺陷。目前，渗碳钢齿轮表面非马氏体组织厚度的控制难度依然较大，并且容易引起碳氮化合物的团聚和异常粗化，降低钢齿轮的机械性能。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提出一种合金渗碳钢齿轮的快速中温碳氮共渗工艺，不仅碳氮共渗处理的温度得以降低，时间得以缩短，还可实现齿轮表面碳、氮原子的快速渗入并在渗碳钢齿轮表面形成弥散分布的纳米尺寸碳氮化合物，显著提高渗碳钢齿轮的表面硬度(淬油后硬度高达65
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67HRC，经170℃回火3小时后，硬度可保持62
‑
64HRC)、耐磨性能和抗疲劳强度。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0007]一种合金渗碳钢齿轮的快速中温碳氮共渗工艺，包括以下步骤：
[0008]S1，将合金渗碳钢齿轮在低于奥氏体化的临界温度的条件下，于碳氮气氛中热处理0.5
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1.5h，得到预处理后的合金渗碳钢齿轮；
[0009]S2，将预处理后的合金渗碳钢齿轮在840
‑
880℃下，于碳氮气氛中进行如下的碳氮共渗工艺，完成合金渗碳钢齿轮的快速中温碳氮共渗；
[0010]当渗层厚度d1＜0.7mm时，所述的碳氮共渗工艺为强渗，强渗时间t1满足如下关系：2≤t1＜4h；
[0011]当渗层厚度d2满足如下关系：0.7≤d2＜1.2mm，所述的碳氮共渗工艺为先强渗后扩散，总时间t2满足如下关系：4≤t2＜10h，强渗时间与扩散时间相同；
[0012]当渗层厚度d3满足如下关系：1.2≤d3＜1.5mm，所述的碳氮共渗工艺为先强渗后扩散，得到一次强渗
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扩散后的合金渗碳钢齿轮，之后将一次强渗
‑
扩散后的合金渗碳钢齿轮再次先强渗后扩散，得到二次强渗
‑
扩散后的合金渗碳钢齿轮，两次强渗
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扩散的总时间t3满足如下关系：10≤t3＜14h，最后对两次强渗
‑
扩散后的合金渗碳钢齿轮进行10
‑
30min的强渗。
[0013]进一步地，S1中所述的合金渗碳钢齿轮在680
‑
720℃预处理。
[0014]进一步地，S1和S2所述的碳氮气氛为氨和液态的乙醇裂解后的气体或液态的甲醇裂解后的气体形成的混合气氛。
[0015]进一步，S1中所述的合金渗碳钢齿轮在热处理时，在混合气氛输入时氨的体积占混合气氛总体积的50％
‑
75％，热处理过程中混合气氛中残余氨的体积占比为6％
‑
10％。
[0016]进一步地，S2中当渗层厚度d1＜0.7mm时，碳氮共渗工艺中的碳势为0.9％
‑
1.2％，氮势为0.1％
‑
0.3％。
[0017]进一步地，S2中当渗层厚度d2满足如下关系：0.7≤d2＜1.2mm时，碳氮共渗工艺中强渗的碳势为0.9％
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1.1％，氮势为0.2％
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0.3％，扩散的碳势为0.7％
‑
0.9％，氮势为0.15％
‑
0.25％。
[0018]进一步，S2中当渗层厚度d3满足如下关系：1.2≤d3＜1.5mm时，第一次强渗
‑
扩散中强渗的碳势和氮势，以及扩散的碳势和氮势与渗层厚度d2对应的碳势和氮势相同。
[0019]进一步地，S2中当渗层厚度d3满足如下关系：1.2≤d3＜1.5mm时，第二次强渗
‑
扩散中强渗的碳势为0.9％
‑
1.0％，氮势为0.05％
‑
0.15％，扩散的碳势和氮势与第一次扩散的碳势和氮势相同。
[0020]进一步地，S2中当渗层厚度d3满足如下关系：1.2≤d3＜1.5mm时，第一次强渗
‑
扩散中强渗时间t
b1
、扩散时间t
d1
，以及第二次强渗
‑
扩散中强渗时间t
b2
、扩散时间t
d2
满足如下关系：t
b2
＝0.5t
b1
；0.5t
d1
≤t
d2
≤1.5t
d1
。
[0021]进一步地，S2中所述的两次强渗
‑
扩散后的合金渗碳钢齿轮经10
‑
30min强渗时的碳势为0.85％
‑
1.0％，氮势为0.1％
‑
0.2％。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0023]本专利技术一种合金渗碳钢齿轮的快速中温碳氮共渗工艺，针对渗层(d1＜0.7mm)进行强渗，合金渗碳钢齿轮表面形成弥散分布的碳氮化合物；针对中渗层(0.7≤d2＜1.2mm)先强渗后扩散，合金渗碳钢齿轮表层会形成弥散分布的颗粒状碳氮化合物；针对较厚渗层(1.2≤d3＜1.5mm)，采用两次的强渗
‑
扩散循环处理工艺以及最后的短时间强渗。第一次循环强渗扩散处理，可控制使得碳氮化合物不会异常粗化，其金相级别≤5级，经过第二次的循环强渗扩散处理，则可以将碳氮化合物的级别控制在≤4级，同时提高了合金渗碳钢齿轮中活性碳、氮原子的传递速度，保持了较高的渗速，并有效减小了表面内氧化和表面非马氏体组织厚度，以及抑制了晶界连续粗大碳氮化合物的形成和异常粗化，从而在工件表面获得弥散分布的碳氮化合物，获得表面高硬度高耐磨的齿轮工件。本专利技术能在相对较短时间内获得较厚的渗层深本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种合金渗碳钢齿轮的快速中温碳氮共渗工艺，其特征在于，包括以下步骤：S1，将合金渗碳钢齿轮在低于奥氏体化的临界温度的条件下，于碳氮气氛中热处理0.5
‑
1.5h，得到预处理后的合金渗碳钢齿轮；S2，将预处理后的合金渗碳钢齿轮在840
‑
880℃下，于碳氮气氛中进行如下的碳氮共渗工艺，完成合金渗碳钢齿轮的快速中温碳氮共渗；当渗层厚度d1＜0.7mm时，所述的碳氮共渗工艺为强渗，强渗时间t1满足如下关系：2≤t1＜4h；当渗层厚度d2满足如下关系：0.7≤d2＜1.2mm，所述的碳氮共渗工艺为先强渗后扩散，总时间t2满足如下关系：4≤t2＜10h，强渗时间与扩散时间相同；当渗层厚度d3满足如下关系：1.2≤d3＜1.5mm，所述的碳氮共渗工艺为先强渗后扩散，得到一次强渗
‑
扩散后的合金渗碳钢齿轮，之后将一次强渗
‑
扩散后的合金渗碳钢齿轮再次先强渗后扩散，得到二次强渗
‑
扩散后的合金渗碳钢齿轮，两次强渗
‑
扩散的总时间t3满足如下关系：10≤t3＜14h，最后对两次强渗
‑
扩散后的合金渗碳钢齿轮进行10
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30min的强渗。2.按照权利要求1所述的合金渗碳钢齿轮的快速中温碳氮共渗工艺，其特征在于，S1中所述的合金渗碳钢齿轮在680
‑
720℃预处理。3.按照权利要求1所述的合金渗碳钢齿轮的快速中温碳氮共渗工艺，其特征在于，S1和S2所述的碳氮气氛为氨和液态的乙醇裂解后的气体或液态的甲醇裂解后的气体形成的混合气氛。4.按照权利要求3所述的合金渗碳钢齿轮的快速中温碳氮共渗工艺，其特征在于，S1中所述的合金渗碳钢齿轮在热处理时，在混合气氛输入时氨的体积占混合气氛总体积的50％
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75％，热处理过程中混合气氛中残余氨的体积占比为6％
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10％。5.按照权利要求1所述的合金渗碳钢齿轮的快速中温碳氮共渗工艺，其特征在于，S2中当渗层厚度d1＜0.7mm时，碳氮共渗工艺中的碳势为0.9％
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1.2％，氮势为0.1％
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【专利技术属性】
技术研发人员：谭长生，张国君，林建生，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：