多用爐熱處理滲碳工藝及應用分析

秦泗義

摘 要：隨著工業(yè)自動化的飛速發(fā)展，多用爐熱處理滲碳工藝得到廣泛應用。文章就曲柄銷熱處理工藝的試制過程進行研究，對設備和數據進行分析，探討多用爐熱處理滲碳工藝技術的加工效果達到理想水平的方法，為企業(yè)創(chuàng)造了效益。工件進行爐熱處理的過程主要為滲碳、淬火后再進行磨削加工，同時要求磨削后產品硬度符合工藝及使用要求。文章筆者就曲柄銷熱處理工藝的試制過程作為論點，圍繞試制過程中，曲柄銷的扭矩、過盈量、硬度、耐磨度、韌性等情況，對爐熱處理滲碳工藝應用進行分析。

關鍵詞：多用爐；熱處理工藝；滲碳工藝

一般而言，曲柄分為：左右曲柄、連桿以及曲柄銷等幾個部分。在對這些20CnMo材質的零件進行熱處理時，主要進行滲碳淬火工作[1]。因為這些零部件比較小，所以要求的硬化層相對較淺。具體詳情為：成品滲碳層要求為0.6～0.9mm，表面硬度要求56～64HRC；熱處理工序的理想值區(qū)間為：0.8～1.0mm（514HV），其中，工件表面硬度理想值區(qū)間為：57～64HRC。在熱處理過程中，0.8～1.0mm（514HV），工件表面硬度理想值范圍為：57～64HRC。就以上所述情況來看，按照硬度值的參考數據可以知道，這些零件都屬于淺層滲碳。

1 曲柄熱處理工藝分析

為使曲柄熱處理項目結果達到理想效果，就前文所述內容來看，重點需要注意以下問題：

（1）提前了解加工設備規(guī)格，確保一爐工件的硬化層符合要求。

（2）對熱處理后的工件情況進行預估，檢測工件硬化層硬度梯度是否達標，為后期磨削工作打好基礎[2]。

（3）當曲柄完成壓合時，查看扭矩程度。曲炳孔的表面、心部的硬度以及硬化層深度均會對扭矩效果造成影響。

對曲軸進行滲碳處理主要是為了：強化工件表面硬度，為扭矩達標奠定基礎；工件進行滲碳處理后，能優(yōu)化產品疲勞強度；合理達標的硬度，能有效輔助其他零件的裝配工作；由于曲柄較小，十分注重強度韌性，因而對工件硬化層、心部硬度以及殘余奧氏體的規(guī)格要求會更嚴格。

2 滲碳分析

2.1 硬化層深度

滲碳層的深度，主要由爐熱處理時的溫度、時間以及碳勢等因素來決定。滲碳層深度計算公式如下所示：

上述公式中，i為時間，T為絕對溫度（K）。當滲碳溫度為930℃時，A（T）值為0.670；當滲碳溫度為960℃時，A（T）值為0.747。由此可見，滲碳層溫度和碳在γ-Fe中的作用速度成正比。在溫度保持穩(wěn)定值時，滲層深度與滲碳時間成正比關系，由此可得出，溫度與時間是決定滲層深度關鍵因素的結論。溫度的變化也會使?jié)B碳深度產生變化，因此在淺層滲碳過程中，必須準確的拿捏好滲碳溫度[3]。否則，操作不當，溫度過高，淺層滲碳中碳分子擴散速度快，作用時間短，滲碳深度有限，無法達到理想值。因此，需要合理降低溫度，使碳分子擴散速度慢，獲得更多便于操作的空間，減小成果與理想效果的偏差。為了讓工件表面硬度達到最佳狀態(tài)，爐器碳勢高低必須嚴加控制。對于低合金滲碳鋼，表面要求wc=0.75%-1.00%。雖然，滲碳層深度越深，產品的疲勞度和扭矩能力均能得到提升，但是會降低工件的沖擊韌度。而且，工件心部材料會由于滲層的壓迫導致發(fā)生變形。同時，滲層深度越深，擴散層相對會更深，因此工件心部含碳量超標的結果也不容忽視。經過淬火后，工件心部硬度以及強度都會提升，不過韌性低下，在進行曲柄壓合時容易產生裂痕。

2.2 碳濃度梯度

硬化層硬度梯度，主要取決于滲碳層碳濃度梯度。碳勢會決定滲碳層深度，工件表層成分波動，也會變得較為靈敏。因此，利用兩段滲碳的方式，可以節(jié)省處理時間，保證滲碳質量，提高工作效率。不過，理論雖然如此，但在實際操作過程中，由于碳勢氣氛和工件表面碳濃度值并不統(tǒng)一，因此并不能使兩段滲碳的工作優(yōu)勢體現出來。工件接受薄層滲碳時，滲碳時間均較短，因此氣氛勢能以及工件表面碳濃度無法達到平衡。面對這種情況。需要在熱處理結束后，對工件進行磨削處理，但是如此一來，工件表面硬度又無法達標。滲碳層中碳濃度高，在淬火結束后表面將殘留大量奧氏體，而磨削工作中產生的熱能會催化奧氏體轉化為馬氏體，最終容易造成裂紋。據數據顯示，碳在奧氏體中的溶解度（C）%=0.003T-1.47（850℃≤T≤950℃）。得知900℃碳的溶解度為1.23%，930℃為1.32%。對爐器碳勢的控制，是為實現零件表面含碳量達到理想值，對于低合金滲碳鋼，表面要求wc=0.75%-1.00%；滲碳過程中可以采用一段碳勢（恒碳勢），也可以采用兩段碳勢（變碳勢）的滲碳工藝。由此看來，在滲碳期間，可以運用高回火溫度或反復加熱的方式，保證工件表面硬度符合要求的同時，最大化減小殘余奧氏體的含量與內應力，為磨削工作打好基礎。

2.3 心部硬度

滲碳零件的力學性能，主要取決于滲碳鋼心部的硬度情況。升溫過程中碳勢最高可以達到1.30%Cp，通過多次實驗最終得出結論：心部硬度過高的工件，在使用過程中容易出現斷裂情況。主要原因是心部硬度高，疲勞強度降低，韌性也大幅度下降。所以，小件心部硬度檢測的工作不容忽視。

2.4 殘余奧氏體

研究結果顯示，表面殘留的奧氏體，如未超過一定范圍并不會對工件抗疲勞性能產生不利影響。同時，適量的殘余奧氏體能夠有效改善淬火出現裂紋的情況。曲柄在于曲柄銷進行壓合的階段，殘余奧氏體在磨削工作中產生的熱能會催化奧氏體轉化為馬氏體，最終容易造成裂紋。由此看來，在滲碳期間，可以運用高回火溫度或反復加熱的方式，保證工件表面硬度復核要求的同時，最大化減小參與奧氏體的含量與應力，為磨削工作打好基礎。碳在奧氏體中的溶解度（C）%=0.003T-1.47（850℃≤T≤950℃）。得知900℃碳的溶解度為1.23%，930℃為1.32%。需要注意吸收能量，轉換殘余奧氏體的性能，輔助熱處理工作能夠順利進行，幫助工件熱處理效果達到理想狀態(tài)。對此，既可以通過預處理的方式也可以利用清潔工件表面的方式，加強工件表面性能，確保滲層均勻度。

3 原因分析

3.1 經過研究，在升溫排氣階段，不采用任何辦法控制碳勢，僅依靠甲醇的滴入，只能讓氣氛受到保護順利進行置換。升溫過程中碳勢最高可以達到1.30%Cp，淺層滲碳的滲層均勻性受到一定影響，而深層滲碳的均勻度并未受到影響。工件進行爐熱處理的過程主要為滲后再磨削加工，同時要求磨削后產品硬度符合要求。在一般情況下，工件進入多用爐吸熱，爐內溫度會直接下降到580℃，開始升溫。在升溫速率位4-6"C/rain的情況下，大約經過70-90min的時間，溫度即可達到930℃。升溫階段，中門沒有加熱器，所以升溫速度受到一定的抑制。

3.2 滲碳溫度對工件的滲碳情況有著深遠的影響，因此需要通過前室速降溫，后室降溫慢，才會實現后室工件擴散層比前室更深的效果。

3.3 工件淬火出爐時期，前室工件最先接觸空氣，因此溫度下降比后室工件多，最終形成硬化層比后室淺的結果。

4 結束語

工件在進行進行爐熱處理，通過滲碳再磨削的方式進行加工。由于后期需要進行磨削程序，因此對產品的硬度有一定要求。本文就曲柄銷熱處理工藝的試制過程作為論點，圍繞試制過程中，曲柄銷的扭矩、過盈量、硬度、耐磨度、韌性等情況，對爐熱處理滲碳工藝應用進行分析。通過對數據和設備進行分析，通過對當前滲碳工藝技術不足之處的分析，探討爐熱處理滲碳工藝技術的加工效果達到理想水平的方法，為企業(yè)創(chuàng)造了效益。

參考文獻

[1]張偉，朱百智.940℃滲碳工藝探索與應用[J].金屬加工：熱加工，2013（19）：45-46.

[2]李光瑾，陳德華，任頌贊，等.重載大模數齒輪深層滲碳工藝精益化探討[J].熱處理技術與裝備，2013（1）：31-36.

[3]王萌，鞏建鳴，榮冬松.奧氏體不銹鋼低溫氣體滲碳工藝研究現狀[J].壓力容器，2012（6）：45-49.