本發(fā)明屬于金屬材料熱處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種控制31CrMoV9齒輪材料氮化物的熱處理方法。

　　背景技術(shù)：

　　為了提高31CrMoV9齒輪表面的硬度及耐磨性，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)通常使用氣體滲氮作為提高31CrMoV9齒輪表面性能的有效熱處理方法，工業(yè)生產(chǎn)中要求31CrMoV9齒輪材料的氮化層層深≥0.6mm。31CrMoV9由于含有V元素，其氮化時(shí)氮原子的滲入速度低，V等高合金元素阻礙了氮原子的進(jìn)入，若形成氮化物則氮原子很難遷移而擴(kuò)散，因此材質(zhì)不容易形成白亮層以及疏松，且氮化物很難控制?，F(xiàn)階段氣體滲氮中常采用以下方法：1、嚴(yán)格控制滲氮工藝，特別要控制爐氣的氮?jiǎng)?，減輕或防止脈狀或網(wǎng)狀氮化物的形成；2、嚴(yán)格控制氨氣中的水分，采用一級(jí)液氨或采用高效的吸濕劑，以降低其水分含量；3、工件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免尖角呈銳角，控制工件表面的粗糙度。

　　現(xiàn)有工藝由于氣體滲氮工藝不當(dāng)，氮化層常出現(xiàn)網(wǎng)狀及脈狀氮化物，嚴(yán)重影響滲氮質(zhì)量，使?jié)B層脆性增加，降低了氮化層的疲勞強(qiáng)度和耐磨性，氮化層極易脫落。現(xiàn)有工藝氮化后31CrMoV9齒輪材料的金相組織中氮化物較為嚴(yán)重，根據(jù)GB/T11354金相組織評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，氮化物級(jí)別為4級(jí)。

　　技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

　　本發(fā)明主要提供了一種控制31CrMoV9齒輪材料氮化物的熱處理方法，有效解決了原有氮化工藝產(chǎn)生的網(wǎng)狀或者脈狀氮化物的問題，從而有效提高了31CrMoV9齒輪材料氮化層的耐疲勞強(qiáng)度和耐磨性。其技術(shù)方案如下：

　　一種控制31CrMoV9齒輪材料氮化物的熱處理方法，包括以下步驟：

　　(1)預(yù)處理：調(diào)質(zhì)奧氏體化溫度為910-920℃，高溫奧氏體化將避免基體鐵素體以及貝氏體的形成，使嚴(yán)重脈狀網(wǎng)狀氮化物的載體消除，回火控制調(diào)質(zhì)硬度在330-350HB，使用有機(jī)溶劑對(duì)31CrMoV9齒輪清洗，除去31CrMoV9齒輪上的油漬及殘物，對(duì)31CrMoV9齒輪進(jìn)行防滲，裝架后吊入氣體滲氮爐內(nèi)；

　　(2)排氣：檢查爐蓋蓋好無(wú)誤后，調(diào)整電壓、電流，對(duì)滲氮爐進(jìn)行升溫并通氮?dú)猓?/p>

　　(3)氧化：當(dāng)爐溫升到300-350℃時(shí)，關(guān)閉氮?dú)?，通入氧氣，?duì)工件進(jìn)行高強(qiáng)度氧化處理，打破V元素對(duì)氮原子的阻尼，氧化結(jié)束后關(guān)閉氧氣，通氮?dú)猓^續(xù)對(duì)爐體升溫；

　　(4)強(qiáng)滲：當(dāng)爐溫升到440-460℃時(shí)，通入氨氣進(jìn)行氨氣置換，當(dāng)爐溫升至550-570℃時(shí)，控制氮?jiǎng)菁暗瘯r(shí)間進(jìn)行強(qiáng)滲，使快速氮化形成氮化層主體；

　　(5)擴(kuò)散：強(qiáng)滲結(jié)束后，擴(kuò)散采用低溫高氮?jiǎng)菖c高溫低氮?jiǎng)莸淖儨亟惶鎰?shì)能控制模型，先510℃且氮?jiǎng)?.5保持10h，再升溫至530℃且氮?jiǎng)?.18保持10h，交替3次進(jìn)行擴(kuò)散處理，層深要求更深時(shí)可以增加交替次數(shù)；

　　(6)冷卻：擴(kuò)散結(jié)束后，關(guān)閉氨氣，繼續(xù)通入氮?dú)?，使?fàn)t溫緩冷再進(jìn)行風(fēng)冷，工件出爐即可。

　　優(yōu)選的，步驟(1)中所述有機(jī)溶劑為酒精。

　　優(yōu)選的，步驟(2)中通入氮?dú)獾牧髁繛?5-20m3/h，爐壓為300-400Pa。

　　優(yōu)選的，步驟(3)中氧氣流量為0.8m3/h，氧化時(shí)間為60min。

　　優(yōu)選的，步驟(4)中在氮?jiǎng)?6、氮化時(shí)間10h的條件下進(jìn)行強(qiáng)滲。

　　優(yōu)選的，步驟(6)中當(dāng)爐溫緩冷至400-450℃時(shí)開冷風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)冷，風(fēng)冷至150-180℃工件出爐。

　　優(yōu)選的，所述氣體滲氮爐為井式氣體滲氮爐或罩式氣體滲氮爐。

　　采用上述方案，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　本發(fā)明工藝設(shè)計(jì)合理，氮化前910-920℃高溫奧氏體化調(diào)質(zhì)可以為氮化提供優(yōu)良的基體，摒棄常規(guī)的890-900℃奧氏體化工藝，該工藝在氣體氮化階段之前添加人工氧化干預(yù)過(guò)程，31CrMoV9需要更高的氧氣流量以及保持時(shí)間以打破V元素對(duì)氮原子的阻尼，將在31CrMoV9齒輪材料表面快速生成一層較薄的均勻氧化膜，該氧化膜具有很高的表面自由能，對(duì)氮化物有很強(qiáng)的吸附性，顯著提高了工件表面的氮含量，增大了工件表面的氮濃度梯度，形成了高的濃度差，顯著提高了氮原子向基體擴(kuò)散速度，避免了脈狀及網(wǎng)狀氮化物的形成，提高了工件表面耐疲勞強(qiáng)度和耐磨性。強(qiáng)滲階段采用高溫高氮?jiǎng)菽Ｐ停瑢等合金元素對(duì)氮原子的阻尼打破，快速形成氮化層的主體，在擴(kuò)散時(shí)采用變溫勢(shì)能交替控制模型，高溫低氮?jiǎng)輸U(kuò)散可以擴(kuò)散氮化物，低溫高氮?jiǎng)輸U(kuò)散可以增加層深，通過(guò)該工藝路線可以將強(qiáng)滲產(chǎn)生的氮化物擴(kuò)散同時(shí)不形成嚴(yán)重脈狀氮化物。同時(shí)本發(fā)明在氧化階段不用附加任何輔助設(shè)備，氧化介質(zhì)為瓶裝工業(yè)氧氣，通過(guò)管道配以流量計(jì)接入爐膛內(nèi)，比單純空氣中氧化更均勻且效率更高，氧化與氮化同在氣體滲氮爐內(nèi)進(jìn)行，操作簡(jiǎn)單易行。

　　附圖說(shuō)明

　　圖1為現(xiàn)有氮化工藝曲線圖；

　　圖2為本發(fā)明氮化工藝曲線圖；

　　圖3為現(xiàn)有工藝氣體滲氮層中氮化物的金相組織；

　　圖4為本發(fā)明中氣體滲氮層中氮化物的金相組織。

　　具體實(shí)施方式

　　以下實(shí)施例中的實(shí)驗(yàn)方法如無(wú)特殊規(guī)定，均為常規(guī)方法，所涉及的實(shí)驗(yàn)試劑及材料如無(wú)特殊規(guī)定均為常規(guī)生化試劑和材料。

　　實(shí)施例1

　　一種控制31CrMoV9齒輪材料氮化物的熱處理方法，包括以下步驟：

　　(1)預(yù)處理：調(diào)質(zhì)奧氏體化溫度為920℃，回火控制調(diào)質(zhì)硬度在330HB，使用酒精對(duì)31CrMoV9齒輪清洗，除去31CrMoV9齒輪上的油漬及殘物，對(duì)31CrMoV9齒輪進(jìn)行防滲，裝架后吊入井式氣體滲氮爐或罩式氣體滲氮爐內(nèi)；

　　(2)排氣：對(duì)滲氮爐進(jìn)行升溫并通氮?dú)?，氮?dú)獾牧髁繛?5m3/h，爐壓為400Pa；

　　(3)氧化：當(dāng)爐溫升到300℃時(shí)，關(guān)閉氮?dú)?，通入氧氣，?duì)工件進(jìn)行高強(qiáng)度氧化處理，氧氣流量為0.8m3/h，氧化時(shí)間為60min，氧化結(jié)束后關(guān)閉氧氣，通氮?dú)?，繼續(xù)對(duì)爐體升溫；

　　(4)強(qiáng)滲：當(dāng)爐溫升到460℃時(shí)，通入氨氣進(jìn)行氨氣置換，當(dāng)爐溫升至550℃時(shí)，在氮?jiǎng)?6、氮化時(shí)間10h的條件下進(jìn)行強(qiáng)滲，使快速氮化形成氮化層主體；

　　(5)擴(kuò)散：強(qiáng)滲結(jié)束后，先510℃且氮?jiǎng)?.5保持10h，再升溫至530℃且氮?jiǎng)?.18保持10h，交替進(jìn)行擴(kuò)散處理3次；

　　(6)冷卻：擴(kuò)散結(jié)束后，關(guān)閉氨氣，繼續(xù)通入氮?dú)?，使?fàn)t溫緩冷至450℃時(shí)開冷風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)冷，風(fēng)冷至150℃工件出爐即可。

　　上述工藝流程如圖2所示。

　　實(shí)施例2

　　一種控制31CrMoV9齒輪材料氮化物的熱處理方法，包括以下步驟：

　　(1)預(yù)處理：調(diào)質(zhì)奧氏體化溫度為910℃，回火控制調(diào)質(zhì)硬度在350HB，使用酒精對(duì)31CrMoV9齒輪清洗，除去31CrMoV9齒輪上的油漬及殘物，對(duì)31CrMoV9齒輪進(jìn)行防滲，裝架后吊入井式氣體滲氮爐或罩式氣體滲氮爐內(nèi)；

　　(2)排氣：對(duì)滲氮爐進(jìn)行升溫并通氮?dú)?，氮?dú)獾牧髁繛?0m3/h，爐壓為300Pa；

　　(3)氧化：當(dāng)爐溫升到350℃時(shí)，關(guān)閉氮?dú)?，通入氧氣，?duì)工件進(jìn)行高強(qiáng)度氧化處理，氧氣流量為0.8m3/h，氧化時(shí)間為60min，氧化結(jié)束后關(guān)閉氧氣，通氮?dú)?，繼續(xù)對(duì)爐體升溫；

　　(4)強(qiáng)滲：當(dāng)爐溫升到440℃時(shí)，通入氨氣進(jìn)行氨氣置換，當(dāng)爐溫升至570℃時(shí)，在氮?jiǎng)?6、氮化時(shí)間10h的條件下進(jìn)行強(qiáng)滲，使快速氮化形成氮化層主體；

　　(5)擴(kuò)散：強(qiáng)滲結(jié)束后，先510℃且氮?jiǎng)?.5保持10h，再升溫至530℃且氮?jiǎng)?.18保持10h，交替進(jìn)行擴(kuò)散處理3次；

　　(6)冷卻：擴(kuò)散結(jié)束后，關(guān)閉氨氣，繼續(xù)通入氮?dú)猓範(fàn)t溫緩冷至400℃時(shí)開冷風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)冷，風(fēng)冷至180℃工件出爐即可。

　　對(duì)比例1

　　31CrMoV9齒輪至于滲氮爐中進(jìn)行升溫并通氮?dú)獗Ｗo(hù)，再在氮?jiǎng)轂?的條件下進(jìn)行強(qiáng)滲，再進(jìn)行恒溫?cái)U(kuò)散，冷卻即可，該常規(guī)工藝流程如圖1所示。

　　結(jié)果檢測(cè)

　　取實(shí)施例1及對(duì)比例1工藝制備的工件，分別觀察滲氮層中氮化物的金相組織。根據(jù)GB/T11354金相組織評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)施例1工藝形成的氮化物擴(kuò)散層中僅有少量呈脈狀分布的氮化物，級(jí)別為1級(jí)，氮化層深可以達(dá)到0.65mm，表面硬度可以達(dá)到850HV1，具體滲氮層中氮化物的金相組織如圖4所示。現(xiàn)有工藝即對(duì)比例1中工藝氮化后31CrMoV9齒輪材料的金相組織中有較嚴(yán)重脈狀和少量斷續(xù)網(wǎng)狀分布的氮化物，根據(jù)GB/T11354金相組織評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，氮化物級(jí)別為4級(jí)，金相組織如圖3所示。

　　經(jīng)分析可知，本工藝氮化前910-920℃高溫奧氏體化調(diào)質(zhì)可以為氮化提供優(yōu)良的基體，本發(fā)明中對(duì)丼式氣體滲氮爐升溫，當(dāng)溫度達(dá)到一定溫度時(shí)，關(guān)閉氮?dú)忾y門，打開氧氣流量計(jì)，通過(guò)人工氧氣流量干預(yù)對(duì)工件進(jìn)行高強(qiáng)度氧化處理，打破V元素對(duì)氮原子的阻尼，瓶裝高純氧氣的預(yù)氧化效果比常規(guī)的空氣中氧化更均勻、更純凈、效率更高，經(jīng)過(guò)此氧化處理，31CrMoV9齒輪材料表面形成一層極薄的均勻氧化膜，該氧化膜松散，缺陷較多，表面自由能很高，對(duì)氮化物有很強(qiáng)的吸附性，顯著提高了工件表面的氮含量，增大了材料表面氮濃度梯度，加快了氮原子向基體擴(kuò)散的速度。強(qiáng)滲階段采用高溫高氮?jiǎng)菽Ｐ停瑢⒑辖鹪貙?duì)氮原子的阻尼打破，快速形成氮化層的主體，在擴(kuò)散時(shí)采用變溫勢(shì)能交替控制模型，高溫低氮?jiǎng)輸U(kuò)散可以擴(kuò)散氮化物，低溫高氮?jiǎng)輸U(kuò)散可以增加層深，通過(guò)該工藝路線可以將強(qiáng)滲產(chǎn)生的氮化物擴(kuò)散同時(shí)不形成嚴(yán)重脈狀氮化物。同無(wú)氧化階段氣體滲氮相比，工件經(jīng)過(guò)相同處理溫度、時(shí)間及相同氮?jiǎng)萏幚砗?，本發(fā)明工藝氮化后的氮化層中不存在脈狀或網(wǎng)狀氮化物，使氮化物從4級(jí)降到1級(jí)，進(jìn)而提高了31CrMoV9齒輪材料表面疲勞強(qiáng)度及其耐磨性。同時(shí)通過(guò)氮化前的氧化處理，工件表面殘留的殘物、油漬將會(huì)被燃燒掉，起到對(duì)工件清掃的作用，同時(shí)去除了爐內(nèi)及工件上殘留的水漬。

　　本發(fā)明不用附加任何輔助設(shè)備，氧化階段的瓶裝工業(yè)氧氣，管道連接，配以精確控制的流量計(jì)，控制精確簡(jiǎn)單方便。