钢的渗碳处理初探

摘要:渗碳处理是热处理中的重要工艺之一。文章对渗碳工艺技术要求、缺陷及补救措失进行了探讨,以求更好地利用渗碳技术提高钢材产品的质量。

关键词:热处理;渗碳;应用

渗碳是把钢置于渗碳介质中,加热到单相奥氏体区,保温一定时间,使碳原子渗入钢表层的过程。它是一个十分古老的工艺,在中国,最早可上溯到2000年以前。起先用固体渗碳介质渗碳,在20世纪出现液体和气体渗碳并得到广泛应用,后来又出现了真空渗碳和离子渗碳。到现在,渗碳工艺仍然具有非常重要的实用价值,原因就在于它的合理的设计思想,即让钢材表层接受各类负荷最多的地方,通过渗入碳元素达到高的表面含碳量,通过淬火和低温回火处理使工件表面得到高的硬度、耐磨性和疲劳强度,而不必通过昂贵的合金化或其他的复杂的工艺手段对整个材料进行处理。这不仅能用低廉的碳钢或合金钢来代替某些较昂贵的高合金钢,而且能够保持芯部有低碳钢淬火后的强韧性。因此,完全符合节能、降耗,可持续发展的方向。

在机械制造工业中,有许多重要零件(如汽车、拖拉机变速箱齿轮、活塞销、摩擦片及轴类等),它们都是在循环载荷、冲击载荷、很大接触应力和严重磨损条件下工作的,因此要求零件表面硬而耐磨,芯部强而韧,具有高的疲劳极限。为了满足这样的使用性能要求,可以采用含碳0.1%～0.25%碳钢或低合金钢,经渗碳和淬火、低温回火后,就可以在零件的表层和心部分别获得高碳和低碳组织,从而满足零件表面硬而耐磨,芯部强而韧和高的疲劳极限的要求。

根据采用的渗碳剂的不同,渗碳方法可分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳三种。气体渗碳的生产效率高,渗碳过程容易控制,渗碳层质量好,易实现机械化与自动化,所以得到了广泛的应用。

一、渗碳件的技术要求

实践证明,渗碳层的含碳量、渗碳层的深度与组织是决定渗碳质量的主要指标,对渗碳件的使用寿命起着极为重要的作用。

1.渗碳层的表面含碳量最好在0.85%～1.05%范围内,表面层含碳量过低,淬火、低温回火后得到含碳量较低的回火马氏体,硬度低,耐磨性较差,疲劳极限也低。但表面含碳量过高,渗碳层会出现大量块状或网状渗碳体,使渗碳层变脆,易剥落,同时由于表面淬火组织中残余奥氏体量的过度增加,使表面硬度、耐磨性下降,以及表层残余压应力减小,导致疲劳极限的显著降低。

2.在一定的渗碳层深度范围内,随着渗碳层深度的增加,渗碳件的疲劳极限、抗弯强度及耐磨性都将增加。但渗碳层深度超过一定限度后,疲劳极限反而随渗碳层深度的增加而降低,而且渗碳层过深,渗碳件的冲击韧性也太低。故渗碳件所要求的渗碳深度δ,应根据其具体尺寸及工作条件来确定,下列经验公式可供参考:

轴类:δ=(0.1～0.2)RR――半径(mm)

齿轮:δ=(0.2～0.3)mm――模数(mm)

薄片工件:δ=(0.2～0.3)tt――厚度(mm)

工件在工作条件下磨损较小时,δ值取小些;磨损较大时,δ值取大些。

3.碳在γ-Fe中的扩散系数随着温度的升高而急剧增加。当温度一定时,渗层深度与渗碳时间呈抛物线的关系,可见温度和时间对渗层深度起主要影响。在时间、气氛相同的条件下,提高渗碳温度,可以大大加快渗碳速度,使得表面碳浓度高、浓度梯度平缓;降低渗碳温度,效果则相反,因此提高渗碳温度对加速渗碳有利。浅层渗碳温度不宜太高,若温度太高,渗碳时间不宜控制,会影响渗层的深度;同时温度太高心部组织易于粗化,增加心部的淬透性,使心部硬度超差。

4.若渗碳工件上有不允许高硬度的部位(如装配孔等),应在设计图纸上予以注明。该部位可采用渡铜方法来防止渗碳,或者采用多留加工余量方法,渗碳后,在淬火前切去该部位的渗碳层。

5.工件渗碳后必须进行热处理,才能有效地发挥渗碳层的作用,工件渗碳后常采用以下三种热处理方法:

(1)直接淬火法,工件渗碳完毕,出炉经预冷后再淬火和低温回火的热处理工艺。操作简便、成本低,但它只在渗碳件的心部和表层都不过热的情况下才适用,故仅适用于本质细晶粒钢。

(2)一次淬火法,渗碳件出炉缓冷后,再加热到淬火温度进行淬火和低温回火的热处理工艺。此法也是适用于本质细晶粒。

(3)二次淬火法,第一次淬火是为了细化心部组织和消除表层网状渗碳体,加热温度选在(850℃～900℃)。第二次淬火是为了改善渗碳层的组织和性能,使其获得细片状马氏体和均匀分布的碳化物颗粒,加热温度选在(750℃～800℃)。此法仅适用于粗晶粒钢和使用性能要求很高的工件。

二、渗碳的缺陷和补救措施

1.缺陷:麻点

产生原因:形成的条件试验和分析的结果表明,若齿轮局部氧化皮严重,则经喷丸把氧化皮打掉后即是“麻点”;氧化皮较轻时,由于该部位的Mn、Cr被氧化而使钢的淬透性降低,结果在表面形成黑色组织,表现为软点,这种齿轮易于疲劳失效;若炉内氧分压过高,使齿轮氧化严重,形成较厚氧化皮时,则会出现连续脱碳层。

对策:由于“麻点”在渗碳(也能在二次加热)过程中形成,喷丸后才能发现,在生产中应采取以下措施:(1)严格工艺制度,防止渗碳剂供应不足,尤其在交接班后1h内,要严格监视排气孔火焰高度和颜色,严格控制碳势和控制齿轮空冷后的氧化;(2)严防炉罐漏气;(3)严格控制炉温的均匀性,避免产生气氛循环不良,或上下温差过大。例如,若下区比上区温度高,当上区碳势适中时,下区则可因温度偏高而使同样的气氛呈现氧化性。

2.缺陷:畸变

产生原因:零件两端有效厚度尺寸相差较大,导致零件各部位变形情况差异很大。壁厚大的一端在淬火过程中,由于壁厚较大,内外层马氏体转变的不等时性增加,造成组织应力增大。热应力相对比较小,组织应力占主导地位,由于马氏体组织转变而发生体积膨胀,工件心部受压,表面受拉,表现为孔径涨大;壁厚薄的一端热应力占主导地位,工件心部受拉,表面受压,表现为孔径缩小。

对策:(1)降低淬火温度以相对降低零件从高温冷却下来的温差,从而减小渗碳淬火零件由于热应力而引起的畸变;(2)提高淬火油温度减小变形,因为油的温度提高,流动性随之改善,更易均匀地上下循环流动,以利于零件均匀冷却,减小变形。

3.缺陷:裂纹

产生原因:由于共析层形成马氏体,受拉应力引起,而马氏体形成的原因是工艺冷却(空冷)不妥所造成的。

对策:避免马氏体形成,只有在冷于空气的冷却速度下改变缓慢冷却方法,才能使共析层的过冷奥氏体转变为索氏体或珠光体。其具体措施如下:(1)渗碳出炉后,应立即将渗碳罐和零件置于渗碳保温坑中盖好盖子,与空气隔绝缓慢冷却。(2)若没有保温坑装置,可将渗碳罐和渗碳工件转入RJJ-36-6、RJJ-75-9、RJX-45等电炉内(不升温),盖上炉盖进行缓冷。

总之,渗碳是化学热处理中重要而且常用的一种工艺方法。作为热处理技术人员要多学习先进的科学技术,多实验,多分析,掌握更多的知识,努力提高自身素质和技术水平,更好地利用渗碳这种工艺,更充分发挥材料的性能潜力,延长零件的使用寿命,提高产品的质量和经济效益。

参考文献:

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