42CrMoE热处理工艺转让专利
申请号 : CN200710012469.7
文献号 : CN100590208C
文献日 : 2010-02-17
发明人 : 曲德毅 , 王洪范
申请人 : 沈阳鼓风机(集团)有限公司
摘要 :
权利要求 :
1、一种42CrMoE热处理工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：
(1)42CrMoE材料的锻压成型；
(2)42CrMoE材料的调质处理，在850℃～880℃保温2～6小时，出炉油 冷至室温；再进行560℃～600℃回火2.5～6.5小时，空冷至室温；对经过调质 处理的42CrMoE材料进行半精加工，粗磨留量0.15～0.20毫米，然后进行540 ℃～570℃保温3～5小时，炉冷至室温；
(3)将42CrMoE材料表面清洗后置于氮化炉内，升温至510℃～520℃预 氧化处理后通入氨气，氨分解率18％～25％，炉压50～70毫米水柱，保温16～ 20小时；升温到540℃～550℃，氨分解率30％～55％，炉压60～80毫米水柱， 保温16～20小时，炉冷到250℃以下出炉空冷至室温；
(4)将42CrMoE材料进行表面中频或高频淬火，感应加热到830℃～ 850℃，采用水溶性淬火剂进行喷射冷却。
2、根据权利要求1所述的42CrMoE热处理工艺，其特征在于，经过氮化 处理的材料渗氮层深0.4～0.7毫米，经过淬火处理的淬硬层深1.5～2.0毫米， 复合处理后的硬度HRC60以上。
3、根据权利要求1所述的42CrMoE热处理工艺，其特征在于，在步骤(2) 中，调质处理之前，进行正火处理，在880℃±10℃保温2～4小时，出炉空冷 至室温。
4、根据权利要求1所述的42CrMoE热处理工艺，其特征在于，在步骤(3) 中，预氧化处理从450℃开始升温到510℃～520℃，预氧化处理后供氨，进行 活性稀土催化渗氮。
5、根据权利要求1所述的42CrMoE热处理工艺，其特征在于，在步骤(4) 中，中频或高频淬火后进行校直，再进行240℃～280℃回火处理，保温时间1～ 2小时。
6、根据权利要求1所述的42CrMoE热处理工艺，其特征在于，在步骤(4) 中，淬火剂为PAG类水溶性淬火剂，采用质量浓度为3～5％的淬火剂水溶液喷 射冷却。
说明书 :
技术领域：
本发明属于往复式压缩机用42CrMoE材料热处理工艺，适用于所有往复式 压缩机采用42CrMoE活塞杆热处理工艺。也可应用于要求硬度高、耐磨性耐腐 蚀机械设备。
背景技术：
目前，往复式压缩机用42CrMoE活塞杆热处理工艺包含锻压成型、正火、 调质、消应力、高频淬火及低温回火热处理工艺，表面硬化硬度只能达到HRC50 左右，耐磨性很差。用户提出提高42CrMoE活塞杆表面硬度和耐磨性的要求。 如果采用传统的热处理方法提高硬度值往往会造成表面淬火裂纹的产生而报废 或是在用户运行过程中断裂，给用户造成巨大的直接或间接的经济损失。 42CrMoE活塞杆高频淬火表面硬化其耐酸盐腐蚀性很差，特别是在沿海地区大 气中酸盐性很严重，在42CrMoE活塞杆表面形成点蚀或是裂纹而报废。
发明内容：
本发明的目的在于克服上述传统技术的不足，提供一种往复式压缩机用 42CrMoE热处理工艺，解决42CrMoE活塞杆采用传统表面热处理所产生的裂 纹、硬化硬度低、耐磨性耐酸盐腐蚀性差等问题。本发明工艺能提高42CrMoE 活塞杆表面硬度达到HRC60以上，耐磨性提高34％，耐腐蚀性能(耐酸盐腐蚀) 提高40％左右。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案包括：将42CrMoE材料锻压成 型、正火、调质、消应力、氮化、中频或高频淬火及低温回火热处理。主要步 骤如下：
(1)正火：将42CrMoE材料置于电阻炉内加热到880℃±10℃保温2～4 小时，出炉空冷至室温。
(2)机加工后进行调质处理，电阻炉内加热到850℃～880℃保温2～6小 时，出炉油冷至室温；转入回火炉内加热到560℃～600℃保温2.5～6.5小时， 出炉空冷至室温。
(3)半精加工后进行540℃～570℃保温3～5小时的消应力处理，炉冷至 室温；粗磨留量0.15～0.20毫米。
(4)清洗材料表面置于添加活性稀土的氮化炉内，进行预氧化处理从450℃ 开始升温到510℃～520℃，开始供氨，氨分解率18％～25％，炉压50～70毫米 水柱，保温16～20小时；再升温到540℃～550℃氨分解率30％～55％，炉压 60～80毫米水柱，保温16～20小时，炉冷到250℃以下出炉空冷至室温，总氮 化层深0.4～0.7毫米，硬度HV480～520。
本发明中，活性稀土为用于氮化的常规市售产品，活性稀土原子起到洁净 活化金属表面、催化剂作用，加速[N]原子在金属表层扩散、提高金属表面活性 原子浓度，为[N]原子大量渗入金属提供通道，加快渗速。
(5)不经加工而进行中频或高频淬火处理，感应加热到830℃～850℃，采 用水溶性淬火剂进行喷射冷却，淬硬层深1.5～2.0毫米，淬火后进行校直处理。 然后，在240℃～280℃回火，保温时间1～2小时，硬度HRC60以上。
所述水溶性淬火剂可以为PAG类水溶性淬火剂，如：质量浓度为3％～5％ 的聚醚水溶液。
本发明工艺与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、提高表面硬度和耐磨性，降低产生淬火裂纹。用本发明工艺处理的 42CrMoE钢材料，表面硬度值达到HRC60以上，表面层深达1.8毫米以上。传 统高频淬火表面硬度值仅在HRC50左右，氮化处理表面硬度HV500上下，层 深也只有0.5毫米左右。传统高频淬火表面形成的是淬火马氏体组织(图1)， 经过低温回火使用。淬火过程中需要加热到880℃～900℃喷液冷却，加热温度 高存在隐形淬火裂纹危险或是直接产生裂纹。由于氮化降低了钢的临界点，复 合处理降低了淬火的温度，这有利于减小工件淬火变形和淬火裂纹的产生；复 合处理后的组织分析指出，渗氮时形成的ε及γ相均在亚温加热时溶入奥氏体 和铁素体中，同时使渗氮层加厚。淬火表面形成的是淬火马氏体组织加铁氮化 合物(图2)，经过低温回火使用。铁氮化合物占据低温淬火形成的铁素体位相， 硬质氮化物加回火马氏体形成了高硬度和提高耐磨性34％(表1，图5，图6)。
2、提高耐腐蚀性能40％。经过氮化处理后表层形成渗氮时形成的ε及γ相 均在亚温加热时溶入奥氏体和铁素体中，同时使渗氮层加厚，从而提高耐腐蚀 性能(表2)。
3、提高回火稳定性。从200℃～400℃每隔50℃检测一点，结果显示从300℃ 开始高频处理样品硬度值明显快速下降。而复合处理样品硬度值没有明显下降。 对杆类零件进行规范的稳定化处理后再进行长时间的氮化过程，在进行中频或 高频处理过程中产生的变形量(2.5mm长)一般均能控制在0.15mm范围内。
4、对42CrMoE钢材料采用表面复合热处理技术后，工件表面硬度达 HRC60～67，同时提高了抗回火稳定性；复合处理增厚了硬化层深度，硬化层 里边是钢的淬火层，从而提高了工件的承受重负荷能力，复合处理提高了工件 的抗磨能力。
5、复合处理在距表面0.5mm内有硬度的最大值，HV0.2超过920，其对应 的HRC＞67；从0.5mm～1.8mm，硬度逐渐下降到760(HV0.2)，此值对应 HRC62.5；再向心部(约到距表面2.5mm后)，很快达到心部组织的硬度，平均 HV0.2为320，对应的HRC约为32。高频处理硬度的最大值HV0.2只有500， 约合HRC49。淬硬层深1.3～1.8mm，心部组织硬度HRC约32。
附图说明：
图1(a)-图1(b)为高频淬火处理表面及心部金相照片；其中，图1(a) 为试样表面金相照片；图1(b)为试样心部金相照片。
图2为本发明复合处理试样从表面到心部的金相组织依(a)、(b)、(c)、(d) 次序向心部过渡的金相照片。
图3为高频淬火试样的X射线衍射谱。
图4为本发明复合处理试样的X射线衍射谱线。
图5为高频样品磨痕的宏观照片。
图6为本发明复合样品磨痕的宏观形态照片。
图7为磨痕的微观形态：(a)高频样品(10N载荷)；(b)本发明复合样品 (10N载荷)；(c)高频样品(15N载荷)；(d)本发明复合样品(15N载荷)。
具体实施方式：
本发明热处理工艺是将42CrMoE活塞杆置于电阻炉内加热到880℃±10℃ 保温2～4小时出炉空冷至室温。机加工后进行调质处理，电阻炉内加热到850 ℃～880℃保温2～6小时出炉油冷至室温，转入回火炉内加热到560℃～600℃ 保温2.5～6.5小时出炉空冷至室温。半精加工后进行540℃～570℃保温3～5 小时的消应力处理，炉冷至室温；粗磨留量0.15～0.20毫米。清洗活塞杆表面 垂直吊装于氮化炉内(氮化炉内加常规市售的活性稀土，如：本发明实施例活 性稀土可采用哈尔滨意锋稀土材料开发有限公司生产的YF-系列有机稀土催 渗剂等，为块度20～30mm的小块状，按设备体积计算，加入量为0.2公斤/立 方米左右)，进行预氧化处理从450℃开始升温到510℃～520℃，预氧化处理后 开始供氨，氨分解率18％～25％，炉压50～70毫米水柱，保温16～20小时； 再升温到540℃～550℃，氨分解率30％～55％，炉压60～80毫米水柱，保温 16～20小时，炉冷到250℃以下出炉空冷至室温，总氮化层深0.4～0.7毫米， 硬度HV480～520。不经加工而进行高频淬火处理，感应加热到830℃～850℃， 采用淬火冷却介质(质量浓度为3％～5％的聚醚水溶液)喷射，淬硬层深1.5～ 2.0毫米，淬火后进行校直处理。然后，在240℃～280℃回火，保温时间1～2 小时，硬度HRC60以上。
工艺路线：
原路线：锻压-正火-加工-调质-加工-消应力-粗磨-高频淬火-回 火-精加工
本发明：锻压-正火-加工-调质-加工-消应力-粗磨-氮化(或离子 氮化)-中频或高频淬火-回火-精加工
实施例1
本实施例具体步骤如下：
(1)常规锻压；
(2)正火：880℃±10℃保温3小时出炉空冷至室温；
(3)常规机加工；
(4)调质处理：860℃保温2.5小时出炉油冷至室温，转入回火炉内加热到 580℃保温4小时出炉空冷至室温；
(5)常规半精加工：一般用于零件几何公差要求比较高时，为了给精加工 留下较小的加工余量的切削，可根据零件公差要求及加工材料特点灵活使用；
(6)消应力处理：560℃保温4小时的消应力处理，炉冷至室温；
(7)常规粗磨；
(8)氮化处理：氮化的预氧化温度从450℃开始到510℃～520℃，升温速 度为100℃/小时；然后，开始供氨，进行活性稀土催化渗氮；氨分解率20％， 炉压60毫米水柱，保温18小时；再升温到540℃～550℃，氨分解率45％，炉 压70毫米水柱，保温18小时，炉冷到250℃以下出炉空冷至室温；
(9)高频淬火处理：感应加热到840℃喷射淬火剂淬火；
(10)回火处理：260℃回火，保温时间1.5小时；
(11)常规精加工。
经过氮化处理的活塞杆渗氮层深0.4～0.7毫米，经过淬火处理的淬硬层深 1.8～2.5毫米，复合处理后的硬度HRC60以上。
表1.样品在具体试验条件下测得的摩擦磨损数据
表2.样品在具体试验条件下的腐蚀率
图1(a)-图1(b)为高频淬火处理表面及心部金相照片；其中，图1(a) 为试样表面金相照片；图1(b)为试样心部金相照片。图2为本发明复合处理 试样从表面到心部的金相组织依(a)、(b)、(c)、(d)次序向心部过渡的金相 照片。图3为高频淬火试样的X射线衍射谱。图4为本发明复合处理试样的X 射线衍射谱线。图5为高频样品磨痕的宏观照片。图6为本发明复合样品磨痕 的宏观形态照片。图7为磨痕的微观形态：(a)高频样品(10N载荷)；(b)本 发明复合样品(10N载荷)；(c)高频样品(15N载荷)；(d)本发明复合样品 (15N载荷)。
实施例2
与实施例1不同之处在于：
(1)常规锻压；
(2)正火处理：880℃±10℃保温2小时出炉空冷至室温；
(3)常规机加工；
(4)调质处理：880℃保温2小时出炉油冷至室温，转入回火炉内加热到 600℃保温2.5小时出炉空冷至室温；
(5)常规半精加工；
(6)消应力处理：550℃保温5小时的消应力处理，炉冷至室温；
(7)常规粗磨；
(8)氮化处理：氮化的预氧化温度从450℃开始到510℃～520℃，升温速 度为100℃/小时；然后，开始供氨，进行活性稀土催化渗氮；氨分解率18％， 炉压50毫米水柱，保温20小时；再升温到540℃～550℃，氨分解率30％，炉 压60毫米水柱，保温20小时，炉冷到250℃以下出炉空冷至室温；
(9)高频淬火处理：感应加热到830℃喷射淬火剂淬火；
(10)回火处理：240℃回火，保温时间2小时；
(11)常规精加工。
经过氮化处理的活塞杆渗氮层深0.4～0.7毫米，经过淬火处理的淬硬层深 1.5～2.0毫米，复合处理后的硬度HRC60以上。
实施例3
(1)常规锻压；
(2)正火处理：880℃±10℃保温4小时出炉空冷至室温；
(3)常规机加工；
(4)调质处理：850℃保温6小时出炉油冷至室温，转入回火炉内加热到 560℃保温6小时出炉空冷至室温；
(5)常规半精加工；
(6)消应力处理：570℃保温3小时的消应力处理，炉冷至室温；
(7)常规粗磨；
(8)氮化处理：氮化的预氧化温度从450℃开始到510℃～520℃，升温速 度为100℃/小时；然后，开始供氨，进行活性稀土催化渗氮；氨分解率25％， 炉压70毫米水柱，保温16小时；再升温到540℃～550℃，氨分解率55％，炉 压80毫米水柱，保温16小时，炉冷到250℃以下出炉空冷至室温；
(9)高频淬火处理：感应加热到850℃喷射淬火剂淬火；
(10)回火处理：280℃回火，保温时间1小时；
(11)常规精加工。
经过氮化处理的活塞杆渗氮层深0.4～0.7毫米，经过淬火处理的淬硬层深 1.8～2.0毫米，复合处理后的硬度HRC60以上。
实例结果表明，采用本发明热处理工艺，可以解决42CrMoE活塞杆采用传 统表面热处理所产生的裂纹、硬化硬度低、耐磨性耐酸盐腐蚀性差等问题。本 发明能够完全防止传统高频淬火产生淬火裂纹，提高表面硬度达到HRC60以 上，提高耐磨性34％，耐酸盐腐蚀性40％。
实验证明，本发明不但可用在活塞杆上，而且可以用在所有采用42CrMoE 材料，要求硬度高耐磨耐蚀的机械零件上。