專利名稱：一種表面高硬度高耐磨零件的加工方法
技術領域：
本發明涉及一種零件的加工方法，尤其涉及一種表面高硬度高耐磨零件的加工方法。
背景技術：
一般來說，小而復雜的零件，比如說用于鏈條裝配機的零件，對尺寸精度的要求都比較高，且還需要具有高硬度高耐磨性等性能。到目前為止，一般都是采用優質高碳鋼材料經下料、粗磨平面、加工孔槽等尺寸、淬火、精磨平面、線切割頭部形狀等工序才能獲得符合要求的小零件，雖然高碳鋼材料淬火后能滿足小零件對高硬度高耐磨的要求，但是高碳鋼材料在淬火狀態下極容易變形，這樣就會縮短零件的使用壽命，更為嚴重的是，因為淬火前所留余量是有一定限制的，變形過大的零件就只能報廢處理，這樣造成了材料的浪費，耗時耗力，生產成本也相應增加；且因為零件淬火前要粗磨平面，淬火后還要對零件進行精磨平面，而精磨比粗磨耗時更多，砂輪磨損更大，這樣也造成了加工高硬度高耐磨零件耗時增·力口，且對磨床砂輪和零件的磨損更大，工作效率低。
發明內容
本發明要解決的技術問題在于，針對現有技術中采用高碳鋼材料加工表面高硬度高耐磨零件在淬火狀態下極容易變形，會縮短零件的使用壽命，更可能直接導致將變形過大的零件作報廢處理，造成對浪費的材料，生產成本增加、耗時耗力，且對磨床砂輪的磨損增大，工作效率低等上述缺陷，提供一種對材料利用率高、省時省力、能降低對磨床砂輪和零件的磨損以及工作效率高的表面高硬度高耐磨零件的加工方法，且該方法加工的零件使用壽命長。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是一種表面高硬度高耐磨零件的加工方法，采用中碳鋼作為工件原料；將工件原料依次按以下工藝步驟處理下料、磨平面、力口工孔槽、線切割和氮化處理；所述氮化處理工藝包括如下步驟(I)將工件置于加熱爐內，且工件之間保持Imm以上的間隙；(2)向加熱爐內充氨氣，在循環流動的氨氣氣氛中均勻加熱至450-500° C，恒溫120-180 分鐘；(3)待加熱爐冷卻至200° C以下時，將工件調出加熱爐外冷卻至常溫。在本發明所述的表面高硬度高耐磨零件的加工方法中，步驟(2)充氨氣后，加熱爐內氨氣占總容量的50%-80%，氧氣占O. 1%-0. 9%，其余為氮氣。在本發明所述技術方案中，表面高硬度高耐磨零件是采用中碳鋼系列材料作為工件原料制成的。因為高碳鋼熱處理后可以得到高硬度和較好的耐磨性，退火狀態下硬度適中，還具有較好的可切削性，且高碳鋼材料易得，所以目前在表面高硬度高耐磨零件的生產過程都基本都采用高碳鋼作為原材料，但是高碳鋼的冷塑性變形能力差，由于含碳量高，淬透性低，水淬時完全淬透的直徑一般僅為15-18mm,油淬時完全淬透的最大直徑或厚度(95%馬氏體)僅為6mm左右，并易變形開裂，又因為在淬火前板材所留余量是有一定限制的，這樣就可能因為變形過大時零件不能使用，只能報廢處理；而中碳鋼具有一定的塑形、韌性和強度，切削性良好，調質處理后有很好的綜合力學性能，本發明中采用中碳鋼系列材料，如40Cr中碳鋼，進行氮化處理，經過對成品的檢測，采用中碳鋼系列材料按照本發明所述技術方案進行處理后獲得的零件表面硬度為700-840HV0. 2，滲氮層厚度為O. 3-0. 38mm,故由此可證明采用本發明所述技術方案進行加工不僅顯著提高了零件表面硬度、耐磨性、抗腐蝕和疲勞性能，而且零件表面滲氮層厚度也達到了所需要求；并且氮化處理時溫度控制在450-500° C，溫度比較低，滲氮時模具芯部沒有發生相變，因此變形較小，一方面可以避免高碳鋼因為淬火后變形過大而導致報廢的后果，保證了零件比較長的使用壽命，也在一定程度上提高了對材料的利用率，另一方面也因為變形較小使得在下料時所留余量可以比較小，也提高了材料利用率；另外，采用本發明所述技術方案對工件進行處理時，只需要對工件進行一次磨平面，在氮化處理后因為變形量小，零件可一次性加工到成品尺寸，不需要留精磨余量進行二次加工，從而降低了對平面磨床砂輪和零件的磨損，提高了工作效率，省時省力。在本發明所述表面高硬度高耐磨零件的加工方法中，將中碳鋼材料進行氮化處理前要依次按如下工藝步驟進行處理下料、磨平面、加工孔槽以及線切割，在本發明中，以上工藝步驟均為公知技術，采用本領域中常規工藝步驟即可實現本發明所述技術方案。其中，下料就是將板材零件用剪板機按圖紙尺寸放余量切斷，在下料之前，如果材料表面比較光滑、平整，則只需要在寬度、厚度和長度方向留平磨余量，如果材料表面有毛邊或其他不平整光滑的情況，則在下道工序前還要利用銑床對板材進行銑平面，所以在寬度、厚度以及長度方向所留余量就適當大些，總之在實際生產中，寬度、厚度以及長度方向所留余量還要根據實際情況而定。另外，在此工藝步驟中所采用的剪板機也為公知技術，采用常規的剪板機即可實現此工藝步驟。在本發明所述技術方案中，在下料工藝完成后，就要對工件進行磨平面，即采用平面磨床對下料后的中碳鋼板材進行磨平面，在本發明中，只需要對中碳鋼板材厚度方向雙面和寬度方向雙面以及長度一面進行平面磨削，磨削過程中保證中碳鋼板材工件面與面之間保持相互平行或垂直。另外，在本工藝步驟中所采用的平面磨床也是公知技術，本領域中常規的平面磨床皆可很好地完成本工藝步驟，例如M7132H平面磨床。在本發明所述技術方案中，在磨平面工藝完成后，就要根據零件尺寸要求對工件加工孔槽，包括鉆孔、攻螺紋以及加工槽等。在本發明所述技術方案中，在加工孔槽工藝完成后，因為對零件尺寸精度要求較高，所以還要采用線切割機床對工件進行線切割，在本工藝步驟中采用的線切割機床也是公知技術，采用本領域中常規的線切割機床就可以完成該工藝步驟，比如DK7716線切割機床。在本發明所述表面高硬度高耐磨零件的加工方法中，在工件完成上述工藝步驟后，最關鍵的工藝是對工件表面進行氮化處理首先將工件懸掛置于加熱爐內，并使得工件間保持適當距離，在本發明所述技術方案中，工件之間的距離優選為Imm以上，這樣一方面能保證加熱爐內其他的循環流通和爐內溫度均勻，另一方面可以避免因為工件受熱后變形膨脹使得工件之間粘在一起，影響產品質量；其次是向加熱爐內通氨氣，以此來驅除加熱爐內的空氣；在充完氨氣后，在循環流動的氨氣氣氛中均勻加熱至450-500° C,溫度若低于450° C，則不能進行氮化處理，而若超過500° C，通過氮化處理的加熱，其時效進一步進行而成為過時效，使馬氏體析出，工件的表面硬度有所降低。在本發明所述技術方案中，當流量表顯示加熱爐內氣體為氨氣、氧氣和氮氣的混合氣體時，將工件在450-500° C溫度范圍內恒溫120-180分鐘，若工件恒溫的時間低于120分鐘，則工件表面氮濃度低，化合層偏薄，滲氮層厚度達不到實際生產對零件滲氮層厚度的要求，組織不致密，導致工件的抗磨性能差；若工件恒溫的時間超過180分鐘，通過氮化處理的加熱，滲氮層脆性會增大，使得工件整體韌性降低。當工件在450-500° C范圍的溫度下保持120-180分鐘后，工件隨加熱爐冷卻，此時加熱爐內不允許有空氣進入，冷卻到一定溫度時，將夾具及工件平穩地調出加熱爐，空冷至常溫狀態；較佳地，當工件隨加熱爐冷卻低至200° C以下時，才能將工件調出加熱爐，如若在工件溫度還未降至200° C以下就將其調出加熱爐外空冷，工件表面就會產生氧化色，工件表面甚至可能會出現微裂紋。 作為對本發明所述技術方案的一種改進，加熱爐內氣體為氨氣、氧氣和氮氣的混合氣體，且這三種氣體所占容量比優選為氨氣容量占50%-80%，氧氣容量占O. 1%-0. 9%，其余為氮氣時；通過這樣做，由于氨氣的分解而生產的氮氣則在工件表面擴散，在工件表面形成滲氮層。此時，雖然通過氨氣的分解，同時生產氮氣和氫氣，但氫氣的分壓一旦變高，則氨氣的分解將被抑制，或者因為氫氣和氮氣的再結合，而阻礙氮化。因此，在本發明所述技術方案中，通過使混合氣體中占用適當容量比例的氧氣，而使氫氣與該氧氣結合，以水的狀態將之除去到系統之外，可以促進氨氣的分解。在本發明所述表面高硬度高耐磨零件的加工方法中，如果氨氣的容量未滿50%，則無法充分形成滲氮層，從而不能對工件表面賦予所要達到的硬度；另一方面，如果氨氣的容量超過80%，則所生成的氮氣的量出現過剩，在工件的金屬組織中形成氮化鐵等化合物，導致氮化不夠均勻，這是所不希望的。另外，如果混合氣體中所含有的氧氣的容量未達到O. 1%，則無法充分得到該氧氣與氫氣結合以出去該氫氣的效果；另一方面，若氧氣的容量超過O. 9%,在工件的金屬組織中形成氧化物，或者，過分促進氨氣的分解，以致所生產的氮的量出現過剩，這也是所不希望的。較佳地，加熱爐內的溫度是均勻的，隨時使零件保持在均勻溫度條件下，使其一直處于循環流動的氣氛當中，這樣一來，無論是加熱或冷卻傳導，都能控制零件在氮化處理過程中的形變，同時保證零件在同一溫度條件下，滲入中碳鋼材料表面的氮原子具有相同的擴散速率，使滲氮層的結構組織均勻分布。本發明的有益效果是提供了一種表面高硬度高耐磨零件的加工方法，該零件加工方法具有對材料利用率高、省時省力、降低對磨床砂輪和零件的磨損以及工作效率高等優點，且該加工方法加工的零件的使用壽命長。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。本發明優選實施例如下實施例I :采用40Cr中碳鋼作為工件原料，將工件原料依次按以下工藝步驟處理第一步，下料將40Cr中碳鋼板材按圖紙尺寸放余量用剪板機切斷，寬度方向雙面放余量2-3mm，長度放4_5mm ;利用XA5032立式升降臺銑床加工，寬度方向留平磨余量O. 4-0. 5mm,長度方向留余量3_4mm ；第二步，磨平面，利用M7132H平面磨床將經過第一步后的40Cr中碳鋼工件對其厚度方向2個面、寬度方向2個面以及長度方向I個面進行平面磨削，使尺寸達到圖紙尺寸要求，并且保證面與面之間保持垂直或平行；第三步，加工孔槽，在經過第二步后的40Cr中碳鋼工件上按照要求加工孔槽；·第四步，線切割，采用DK7716線切割機床對經過第三步后的40Cr中碳鋼工件按照尺寸要求進行線切割；第五步，氮化處理，包括如下工序(I)將完成上述四步工序后的40Cr中碳鋼工件懸掛置于加熱爐內，且40Cr中碳鋼工件間保持Imm以上間隙，保證加熱爐內的氣體循環流通和爐內溫度均勻；(2)向加熱爐內充氨氣以驅除空氣，然后緩慢升溫至450° C，當流量表顯示加熱爐內氣體含量為氨氣容量占50%，氧氣容量占O. 5%，其余為氮氣，在此氣氛下，將40Cr中碳鋼工件在450° C的處理溫度下恒溫保持180分鐘；(3)在40Cr中碳鋼工件隨加熱爐冷卻至200° C時，將夾具和中碳鋼工件平穩地調出加熱爐外，冷卻至常溫。在加工獲得成品后，本發明對零件的硬度和滲氮層厚度進行了檢測，其中，對成品硬度檢測采用的是HXD-1000TMC維氏硬度計，對成品滲氮層厚度檢測采用的是金相顯微鏡4XC。硬度檢測方法為以200N的負荷，將相對面夾角為136°的方錐形金剛石壓入器壓材料表面，保持規定時間后，用測量壓痕對角線長度，再按公式來計算硬度的大小，試驗力除以壓痕表面積的商就是維氏硬度值，其計算公式為HV=常數*試驗力/壓痕表面積，式中，HV是維氏硬度符號，一般常數值選取為O. 1891，壓痕表面積單位為mm2，可以根據壓痕對角線長度通過查表可得到維氏硬度值，國家標準規定維氏硬度壓痕對角線長度范圍為O. 020-1. 400mm ;滲氮層厚度采用金相法檢驗，即在放大100倍或200倍的顯微鏡下，從式樣表面沿垂直方向測至與基體組織有明顯的分界處的距離，該距離即為滲氮層厚度。按照上述檢測方法和設備，即采用HXD-1000TMC維氏硬度計和金相顯微鏡4XC對成品的表面硬度和滲氮層厚度進行了檢測，檢測結果為表面硬度為700HV0. 2，滲氮層厚度為 O. 38mm。實施例2 同實施例1，采用40Cr中碳鋼作為工件原料，將該工件原料依次按以下工藝步驟處理下料、磨平面、加工孔槽、線切割和氮化處理，其中下料、磨平面、加工孔槽和線切割前四步工序同實施例I，第五步氮化處理包括如下工序(I)將完成上述四步工序后的40Cr中碳鋼工件懸掛置于加熱爐內，且40Cr中碳鋼工件間保持Imm以上的間隙，保證加熱爐內的氣體循環流通和爐內溫度均勻；(2)向加熱爐內充氨氣以驅除空氣，然后緩慢升溫至480° C，當流量表顯示加熱爐內氣體含量為氨氣容量占65%，氧氣容量占O. 5%，其余為氮氣，在此氣氛下，將40Cr中碳鋼工件在480° C的處理溫度下恒溫保持150分鐘；(3)在40Cr中碳鋼工件隨加熱 爐冷卻至200° C時，將夾具和40Cr中碳鋼工件平穩地調出加熱爐外，冷卻至常溫。在加工獲得成品后，采用與實施例I中相同的檢測方法和設備對成品的表面硬度和滲氮層厚度進行了檢測，檢測結果為表面硬度為720HV0. 2，滲氮層厚度為O. 35mm。實施例3 如同實施例1，采用40Cr中碳鋼作為工件原料，將40Cr中碳鋼工件原料依次按以下工藝步驟處理下料、磨平面、加工孔槽、線切割和氮化處理，其中下料、磨平面、加工孔槽和線切割前四步工序同實施例I，第五步氮化處理包括如下工序(I)將完成上述四步工序后的40Cr中碳鋼工件懸掛置于加熱爐內，且40Cr中碳鋼工件間保持Imm以上的間隙，保證加熱爐內的氣體循環流通和爐內溫度均勻；(2)向加熱爐內充氨氣以驅除空氣，然后緩慢升溫至500° C，當流量表顯示加熱爐內氣體含量為氨氣容量占80%，氧氣容量占O. 9%，其余為氮氣，在此氣氛下，將40Cr中碳鋼工件在500° C的處理溫度下恒溫保持120分鐘；(3)在40Cr中碳鋼工件隨加熱爐冷卻至200° C時，將夾具和40Cr中碳鋼工件平穩地調出加熱爐外，冷卻至常溫。在加工獲得成品后，采用與實施例I相同的檢測方法和檢測設備對成品的表面硬度和滲氮層厚度進行了檢測，檢測結果為表面硬度為820HV0. 2，滲氮層厚度為O. 3mm。實施例4 繼續采用40Cr中碳鋼作為工件原料，將該工件原料依次按以下工藝步驟處理下料、磨平面、加工孔槽、線切割和氮化處理，其中下料、磨平面、加工孔槽和線切割前四步工序同實施例I，第五步氮化處理包括如下工序(I)將完成上述四步工序后的40Cr中碳鋼工件懸掛置于加熱爐內，且40Cr中碳鋼工件間保持Imm以上的間隙，保證加熱爐內的氣體循環流通和爐內溫度均勻；(2)向加熱爐內充氨氣以驅除空氣，然后緩慢升溫至490° C，當流量表顯示加熱爐內氣體含量為氨氣容量占80%，氧氣容量占O. 9%，其余為氮氣，在此氣氛下，將40Cr中碳鋼工件在490° C的處理溫度下恒溫保持130分鐘；(3)在40Cr中碳鋼工件隨加熱爐冷卻至190° C時，將夾具和40Cr中碳鋼工件平穩地調出加熱爐外，冷卻至常溫。經過上述工序獲得成品后，繼續采用和實施例I相同的檢測方法和設備對所獲成品的表面硬度和滲氮層厚度進行了檢測，檢測結果為表面硬度為840HV0. 2，滲氮層厚度
為O. 3臟。實施例5 采用40Cr中碳鋼作為工件原料，將工件原料依次按以下工藝步驟處理下料、磨平面、加工孔槽、線切割和氮化處理，其中下料、磨平面、加工孔槽和線切割前四步工序同實施例I，第五步氮化處理包括如下工序
(I)將完成上述四步工序后的40Cr中碳鋼工件懸掛置于加熱爐內，且40Cr中碳鋼工件間保持Imm以上的間隙，保證加熱爐內的氣體循環流通和爐內溫度均勻；(2)向加熱爐內充氨氣以驅除空氣，然后緩慢升溫至460° C，當流量表顯示加熱爐內氣體含量為氨氣容量占75%，氧氣容量占O. 8%，其余為氮氣，在此氣氛下，將40Cr中碳鋼工件在460° C的處理溫度下恒溫保持170分鐘；(3)在40Cr中碳鋼工件隨加熱爐冷卻至180° C時，將夾具和40Cr中碳鋼工件平穩地調出加熱爐外，冷卻至常溫。在加工獲得成品后，采用與上述實施例相同的檢測方法和設備，檢測結果為表面硬度為740HV0. 2，滲氮層厚度為O. 35mm。從實施例I到實施例5的檢測結果可以看出，本發明所述表面高硬度高耐磨零件表面硬度達到了 700-840HV0. 2，滲氮層厚度在O. 3-0. 38mm范圍內，故證明了本發明所述零件具有表面硬度高、耐磨性好的優點，也達到了實際生產需要對本發明所述零件的要求。 另外，從上述實施例可以看出，中碳鋼工件在經過氮化處理后因為變形量小，可一次性加工為成品尺寸，不需要對經過上述五步工藝后的中碳鋼工件進行精磨，減少了工序，省時省力，提高了工作效率。
權利要求
1.一種表面高硬度高耐磨零件的加工方法，其特征在于，采用中碳鋼作為工件原料；將工件原料依次按以下工藝步驟處理下料、磨平面、加工孔槽、線切割和氮化處理；所述氮化處理工藝包括如下步驟 (1)將工件置于加熱爐內，且工件之間保持Imm以上的間隙； (2)向加熱爐內充氨氣，在循環流動的氨氣氣氛中均勻加熱至450-500°C，恒溫120-180 分鐘； (3)待加熱爐冷卻至200°C以下時，將工件調出加熱爐外冷卻至常溫。
2.根據權利要求I所述的表面高硬度高耐磨零件的加工方法，其特征在于，所述步驟(2)充氨氣后，加熱爐內氨氣占總容量的50%-80%，氧氣占0. 1%-0. 9%，其余為氮氣。
全文摘要
本發明公開了一種表面高硬度高耐磨零件的加工方法，采用中碳鋼作為工件原料；將工件原料依次按以下工藝步驟處理下料、磨平面、加工孔槽、線切割和氮化處理；所述氮化處理工藝包括如下步驟(1)將工件置于加熱爐內，且工件之間保持1mm以上的間隙；(2)向加熱爐內充氨氣，在循環流動的氨氣氣氛中均勻加熱至450-500°C，恒溫120-180分鐘；(3)待加熱爐冷卻至200°C以下時，將工件調出加熱爐外冷卻至常溫。本發明的有益效果是提供了一種表面高硬度高耐磨零件的加工方法，該零件加工方法具有成本低、對材料利用率高、省時省力、降低對磨床砂輪和零件的磨損以及工作效率高等優點，且該加工方法加工的零件的使用壽命長。
文檔編號C23C8/26GK102814625SQ20121029970
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月21日 優先權日2012年8月21日
發明者陳紅梅, 許麗麗, 高傳琴 申請人:南京利民機械有限責任公司