[发明专利]金属材料复合热处理表面强化方法

说明书

本发明属于热处理技术领域，公开了一种金属材料复合热处理表面强化方法。将金属工件加热到780～900℃进行碳氮共渗达到一定深度后降温至650～720℃进行氮碳共渗。氮碳共渗过程后期通过控制氮势消除渗层中的脆性化合物层。然后进行淬火，先置于250～300℃硝盐溶液中等温淬火并保温，再置于120～180℃等温淬火并保温，最后在220～240℃时效处理。本工艺淬火温度低，金属工件变形小，渗层厚度大；而且可以获得无脆性白亮层的表面，极大减小了渗层脆性，同时在经过淬火‑分配‑回火工艺处理后，材料心部的强韧性得到提高，渗层的强度、硬度也得到了进一步提高，并且，金属工件经过两次淬火，表层形成残留压应力，提高了金属工件的抗疲劳性能。

技术领域

本发明属于热处理技术领域，涉及的是一种金属材料零部件的热处理工艺，特别是一种强化中低碳(低合金)钢表面的有效方法。

背景技术

渗氮、渗碳作为一种成熟的化学热处理工艺现已广泛应用于工业生产，特别是齿轮、轴类、薄片等需要表面高强度芯部韧性好的金属工件。但普通渗碳工艺的淬火加热温度约930℃，导致淬火应力大，对于小薄金属工件很难控制变形。渗氮及奥氏体氮碳共渗工艺虽然使得淬火温度在700℃以下，但渗层薄且脆，影响了表面强化效果。因此，开发淬火加热温度低、表面强化效果明显的热处理工艺具有重要的工业价值。例如，专利申请号为CN201080040230.0的专利《碳氮共渗构件的制造方法》公开了一种结合渗碳和碳氮共渗的复合热处理工艺，低碳低合金钢在900℃以上渗碳之后直接降温至800～900℃碳氮共渗，接着在800℃直接淬火，并对金属工件进行回火、喷丸处理。该工艺淬火温度高，金属工件容易变形，特别是对于薄板金属工件，变形明显，不易获得形状稳定的薄片金属工件；专利申请号为CN201410038045.8的专利《变速器齿圈氮碳共渗处理工艺》公开了一种氮碳共渗工艺，工艺过程为前清洗、预氧化处理、氮碳共渗处理、后清洗。其中氮碳共渗温度是560～570℃，保温适当时间，气源是氨气、氮气、二氧化碳，共渗结束后进行油淬。该工艺只能获得一层氮化层，无法获得较厚渗层深度，而且氮化层表层的化合物层存在脆性问题；专利申请号为CN02157722的专利《复合热处理方法》公开了一种复合化学热处理工艺，将渗氮与渗碳结合，在930℃左右渗碳，同炉内在720℃以下渗氮，淬火并时效处理。该工艺避免了淬火应力大、渗层薄的缺陷，表面硬度到达900Hv。但是该工艺并没有解决渗层脆性问题。以上公开专利分别以碳氮共渗、氮化、复合化学热处理方法来提高金属工件渗层的力学性能，但是分别存在变形大、渗层深度小、表面化合物层脆性等问题。

Q-P-T工艺是一种在淬火-分配(Q-P)工艺基础上发展的一种热处理新工艺，在发展高强度钢领域具有重要意义。Q-P-T工艺通过碳的再分配形成稳定残留奥氏体，增加材料塑性，而且可以通过回火析出弥散复杂碳化物增加材料强度，从而提高材料综合强韧性。徐祖耀院士在2007年第九次全国热处理大会上发表《钢的热处理新工艺》论文，文中论述了经过Q-P-T工艺处理的钢力学性能的优越性。但是Q-P-T工艺是针对金属体材料的工艺，并没有单独用于表面强化的先例。本发明综合复合化学热处理及Q-P-T工艺的最新研究，开发出一种更加有效的复合热处理表面强化工艺。

发明内容

本发明是多种热处理工艺结合，避免单一热处理工艺缺点的综合热处理技术，涉及到的热处理工艺有碳氮共渗、奥氏体氮碳共渗、无化合物层渗氮、Q-P-T工艺。具体包括如下步骤：

(1)金属工件在多用炉内加热到780～900℃进行，采用甲醇、煤油和氨气为渗剂A，在炉内进行碳氮共渗直到达到要求渗层深度；

(2)将经过步骤(1)处理的金属工件降温至650～720℃进行氮碳共渗并保温时间为1～4h，采用氨气、甲醇为渗剂B，氮碳共渗完成后，金属工件出炉；

(3)将经过步骤(2)共渗后出炉的金属工件置于250～300℃硝盐溶液中等温淬火并保温；

(4)然后，将金属工件放置在120～180℃的硝盐溶液中保温；