本發明屬于熱處理技術領域，涉及的是一種金屬材料零部件的熱處理工藝，特別是一種強化中低碳(低合金)鋼表面的有效方法。
背景技術：
滲氮、滲碳作為一種成熟的化學熱處理工藝現已廣泛應用于工業生產，特別是齒輪、軸類、薄片等需要表面高強度芯部韌性好的金屬工件。但普通滲碳工藝的淬火加熱溫度約930℃，導致淬火應力大，對于小薄金屬工件很難控制變形。滲氮及奧氏體氮碳共滲工藝雖然使得淬火溫度在700℃以下，但滲層薄且脆，影響了表面強化效果。因此，開發淬火加熱溫度低、表面強化效果明顯的熱處理工藝具有重要的工業價值。例如，專利申請號為cn201080040230.0的專利《碳氮共滲構件的制造方法》公開了一種結合滲碳和碳氮共滲的復合熱處理工藝，低碳低合金鋼在900℃以上滲碳之后直接降溫至800～900℃碳氮共滲，接著在800℃直接淬火，并對金屬工件進行回火、噴丸處理。該工藝淬火溫度高，金屬工件容易變形，特別是對于薄板金屬工件，變形明顯，不易獲得形狀穩定的薄片金屬工件；專利申請號為cn201410038045.8的專利《變速器齒圈氮碳共滲處理工藝》公開了一種氮碳共滲工藝，工藝過程為前清洗、預氧化處理、氮碳共滲處理、后清洗。其中氮碳共滲溫度是560～570℃，保溫適當時間，氣源是氨氣、氮氣、二氧化碳，共滲結束后進行油淬。該工藝只能獲得一層氮化層，無法獲得較厚滲層深度，而且氮化層表層的化合物層存在脆性問題；專利申請號為cn02157722的專利《復合熱處理方法》公開了一種復合化學熱處理工藝，將滲氮與滲碳結合，在930℃左右滲碳，同爐內在720℃以下滲氮，淬火并時效處理。該工藝避免了淬火應力大、滲層薄的缺陷，表面硬度到達900hv。但是該工藝并沒有解決滲層脆性問題。以上公開專利分別以碳氮共滲、氮化、復合化學熱處理方法來提高金屬工件滲層的力學性能，但是分別存在變形大、滲層深度小、表面化合物層脆性等問題。
q-p-t工藝是一種在淬火-分配(q-p)工藝基礎上發展的一種熱處理新工藝，在發展高強度鋼領域具有重要意義。q-p-t工藝通過碳的再分配形成穩定殘留奧氏體，增加材料塑性，而且可以通過回火析出彌散復雜碳化物增加材料強度，從而提高材料綜合強韌性。徐祖耀院士在2007年第九次全國熱處理大會上發表《鋼的熱處理新工藝》論文，文中論述了經過q-p-t工藝處理的鋼力學性能的優越性。但是q-p-t工藝是針對金屬體材料的工藝，并沒有單獨用于表面強化的先例。本發明綜合復合化學熱處理及q-p-t工藝的最新研究，開發出一種更加有效的復合熱處理表面強化工藝。
技術實現要素：
本發明是多種熱處理工藝結合，避免單一熱處理工藝缺點的綜合熱處理技術，涉及到的熱處理工藝有碳氮共滲、奧氏體氮碳共滲、無化合物層滲氮、q-p-t工藝。具體包括如下步驟：
(1)金屬工件在多用爐內加熱到780～900℃進行，采用甲醇、煤油和氨氣為滲劑a，在爐內進行碳氮共滲直到達到要求滲層深度；
(2)將經過步驟(1)處理的金屬工件降溫至650～720℃進行氮碳共滲并保溫時間為1～4h，采用氨氣、甲醇為滲劑b，氮碳共滲完成后，金屬工件出爐；
(3)將經過步驟(2)共滲后出爐的金屬工件置于250～300℃硝鹽溶液中等溫淬火并保溫；
(4)然后，將金屬工件放置在120～180℃的硝鹽溶液中保溫；
(5)最后，對金屬工件進行220～240℃時效處理，出爐空冷至室溫。
步驟(1)中，所述滲劑a中，甲醇和煤油是主要成分，氨氣是次要成分；其中，甲醇滴入量是200滴/min，同時滴入煤油30-80滴/min，氨氣通入量為1m3/h。
步驟(1)中，所述碳氮共滲的時間是根據滲層深度要求控制的，時間越長獲得滲層深度越大。
步驟(2)中，所述滲劑b中，氨氣為主要成分，甲醇為次要成分；其中，氨氣通入量是3m3/h，甲醇滴入量是100滴/min。
所述步驟(2)中，當需要去除滲層中的化合物層時，氮碳共滲過程分前期和后期，前期滲劑為甲醇和氨氣，甲醇滴入量是100滴/min，氨氣通入量是3m3/h，時間為0.5～3.5h；后期滲劑為氨氣，氨氣流量為0.5m3/min，時間為0.5h，促使氮化層的化合物層分解，從而達到消除滲層中化合物層之目的。
步驟(3)中，保溫時間為5min。
步驟(4)中，保溫時間為5～30min。
步驟(5)中，時效處理的時間為3～5h。
本發明涉及的化學熱處理方法特別適用于中低碳合金鋼工件，具有以下優點：
(1)淬火加熱溫度低，變形小。金屬工件淬火溫度為720℃，淬火后變形遠低于滲碳淬火(淬火加熱溫度為930℃)，適合用于薄板金屬工件。
(2)滲層厚度大、滲層強度硬度高，金屬工件心部組織強韌性好。本發明先通過滲碳，保證滲層厚度，再通過氮化處理和淬火處理使表面獲得強度硬度極高的含氮馬氏體組織，保證了滲層強度硬度。心部組織經過淬火后再在一定溫度保溫并且回火處理，具備良好的強韌性。
(3)解決表面脆性問題。在氮碳共滲后期的退氮處理消除了氮化層表面脆性化合物層，從而消除了化合物層帶來的脆性問題。
(4)表面形成明顯壓殘留壓應力，有效提高金屬工件抗疲勞性能。金屬工件經過兩次等溫淬火以達到心部先相變表層后相變的過程，形成表面壓殘留壓應力。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明作進一步的說明，但本發明的保護范圍并不限于此。
實施例1
(1)40cr復合熱處理表面強化。40cr樣品經熱水清洗干凈后風干裝爐，爐內通入氨氣、甲醇和少許煤油，氨氣流量是1m3/min，煤油流量是50滴/min，甲醇流量是200滴/min，在820℃進行2h碳氮共滲；
(2)再將爐溫降低到720℃，此時爐內氨氣流量為3m3/min，甲醇流量是100滴/min，進行氮碳共滲1h。
(3)金屬工件出爐后，立即在280℃硝鹽溶液中等溫淬火并且保溫5min，
(4)然后進行160℃硝鹽溶液中保溫30min；
(5)最后進行230℃時效處理4h。
獲得滲層硬度大于720hv，并且滲層的硬度梯度平緩，滲層深度可超過0.5mm。
實施例2
(1)08f鋼復合熱處理表面強化工藝。薄片狀08f鋼樣品經清洗風干后裝爐，爐內通入氨氣、甲醇和少許煤油，氨氣流量是1m3/min，煤油流量是50滴/min，甲醇流量是200滴/min，在840℃進行1h碳氮共滲；
(2)降溫至700℃進行氮碳共滲，爐內氨氣流量為3m3/min，甲醇流量是100滴/min，進行氮碳共滲2h。在氮碳共滲最后0.5h，氨氣流量降低為0.5m3/min，以達到去除化合物層之目的。
(3)出爐后將金屬工件進行280℃硝鹽等溫淬火并且保溫5min；
(4)然后進行160℃硝鹽等溫30min，
(5)最后進行230℃時效處理5h，出爐空冷到室溫。
獲得的樣品表層無化合物層，經過130°彎曲測試，表面無裂痕，具有良好的韌性。