稀土催滲對(duì)鎖緊自攻螺釘滲碳影響的研究

石懷榮 ，劉傳讓 ，芮延年

(1.蚌埠學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院 ，安徽 蚌埠 233000;2.鈺誠(chéng)五金工貿(mào)有限公司 ，安徽 蚌埠 233000 3.蘇州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 ，江蘇 蘇州 215021)

0 引言

為了提高鎖緊自攻螺釘表面的硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度，鎖緊自攻螺釘表層組織一般要求以高硬度的馬氏體組織為主，當(dāng)使用低碳合金鋼作為鎖緊自攻螺釘材料時(shí)，需進(jìn)行表面滲碳處理才能滿足鎖緊自攻螺釘對(duì)于其強(qiáng)韌性要求。采用稀土催滲固體滲碳方法通過研究稀土催滲劑中稀土含量對(duì)鎖緊自攻螺釘滲碳的影響，如滲碳表層到基體的碳濃度分布、組織狀態(tài)、硬度分布等，從而為生產(chǎn)出高品質(zhì)的產(chǎn)品提供理論基礎(chǔ)。

稀土滲碳技術(shù)是上世紀(jì)八十年代中期哈爾濱工業(yè)大學(xué)在材料科學(xué)領(lǐng)域中的一項(xiàng)重大科技發(fā)明，即稀土元素在滲碳過程中的催滲作用和微合金化作用[1-3]。工件滲碳過程中稀土元素參與反應(yīng)，一方面加快了滲碳進(jìn)程的速度[4-5]，降低了溫度，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命[6]，同時(shí)稀土元素的加入使?jié)B層組織得到細(xì)化，提高了零件的綜合力學(xué)性能[7-9]。

盡管稀土滲碳與傳統(tǒng)滲碳相比有較大的優(yōu)勢(shì)，但由于沒能針對(duì)鎖緊自攻螺釘在滾動(dòng)爐中進(jìn)行固體滲碳的最佳稀土元素含量與成熟稀土滲碳工藝，所以到目前為止，稀土滲碳在鎖緊自攻螺釘?shù)膶?shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用不是很廣泛。

1 試驗(yàn)方法與條件

目前，我們生產(chǎn)的鎖緊自攻螺釘所采用的材料為20MnTiB，我們以M6鎖緊自攻螺釘為試驗(yàn)對(duì)象。催滲劑采用耐火泥為促滲劑載體，將稀土材料氯化鈰和氯化鑭加入到耐火土中，制成一定直徑的顆粒，在相同工藝條件下，依次加入含稀土材料量不同的催滲劑由4%為起點(diǎn)依次遞增7%、10%、13%、16%進(jìn)行試驗(yàn)，比較它們對(duì)滲碳的影響。將材料為20MnTiB的M6鎖緊自攻螺釘脫酯后和耐火丸按10：1的比例加入到滾動(dòng)爐內(nèi)，采用8900C的低溫滲碳工藝。

為了確定試驗(yàn)樣品滲碳層外表面到基體的碳濃度分布，使用碳硫儀進(jìn)行碳成分檢測(cè)，取同批次試驗(yàn)樣件十個(gè)由中間切開以測(cè)定距滲碳樣品外表面不同距離的碳濃度，同時(shí)對(duì)各滲碳取件樣品的外表面到基體的切開斷面顯微組織等進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 稀土加入量與滲碳樣件碳濃度分布

圖1為不同稀土含量催滲劑4%、7%、10%、13%、16%作用下滲碳件碳濃度分布，由圖1中可以看出，滲碳工藝相同時(shí)，催滲劑中稀土的加入量為4%時(shí)，所取的十個(gè)滲碳樣件外表滲碳層的碳濃度都比較低，隨著稀土加入量的增加，滲碳樣件外表滲碳層的碳濃度逐漸增加，稀土加入量在13%時(shí)滲碳層碳濃度分布最高，所取的十個(gè)滲碳樣件中外表滲碳層的碳濃度基本都在0.92%左右,稀土的加入量在7%、10%時(shí)，滲碳樣件外表滲碳層的碳濃度分布較為接近，但不持續(xù)增加反而略有下降。同時(shí)在幾種不同的稀土加入量中，都是隨著距滲碳層外表面距離的增加，碳濃度逐漸降低。

圖1 不同稀土含量下滲碳樣件的碳濃度分布曲線

2.2 稀土加入量與滲碳樣件滲碳層厚度分布

我們使用4XB 型顯微鏡進(jìn)行滲碳層深測(cè)量，由圖2可見，滲碳層厚度隨稀土加入量增加而增加但不持續(xù)增加，近似于拋物線規(guī)律的增加。添加 10%稀土?xí)r滲層深度比常規(guī)滲碳提高了 25%比添加 7%稀土?xí)r的滲層深度增加了 11%。稀土加入量大于13%時(shí)，滲碳層厚度隨稀土催滲劑的增加反而出現(xiàn)下降的情況。但滲碳層厚度下降的趨勢(shì)比較平緩。

圖2 不同稀土含量下滲碳樣件的滲碳層分布曲線

2.3 稀土加入量與滲碳樣件滲碳層組織狀態(tài)

金相照片拍攝用 Olympus 金相顯微鏡。圖3為不同稀土加入量時(shí)滲碳工藝相同條件下的每十組滲碳樣件中任取一個(gè)樣件橫截面的顯微組圖，由圖3可知，隨著稀土加入量的增加，滲碳層外表面白色區(qū)域越來越多，黑色區(qū)域逐漸向內(nèi)部移動(dòng)。以稀土加入量為10%為例，其外表面的顯微組織如圖4所示，由圖4可知，滲碳樣件外表面黑色片狀組織的馬氏體組織和白塊區(qū)域組成。由圖4可知，滲碳樣外表面沒有觀察到碳化物的析出。

圖3 滲碳樣滲碳層到基體的顯微組織

圖4 滲碳樣外表面的顯微組織光學(xué)組織

圖5為不同稀土添加量下滲碳工藝相同條件時(shí)的滲碳樣件由表面滲碳層到內(nèi)部橫截面的顯微硬度分布和碳濃度分布曲線，由圖5可知，不同稀土加入量中，滲碳樣件顯微硬度較大值都是出現(xiàn)在距外表面一定深度的位置。而隨著稀土加入量的增加，滲碳層硬度分布梯度變化并不明顯。

圖5 顯微硬度碳濃度曲線

3 稀土添加量的影響分析

由我們所做的試驗(yàn)結(jié)果可知，在滲碳工藝相同條件下，稀土添加量以4%為起點(diǎn)，隨著稀土添加量的增加，滲碳樣件滲碳層的碳濃度逐漸增加，當(dāng)稀土添加量大于10%以后，滲碳樣件的碳濃度增幅明顯放緩。取樣的滲碳樣件滲碳層外表面均由回火馬氏體與殘留奧氏體組成，均無碳化物析出并隨著距外表面深度的增加殘留奧氏體的含量逐漸減少。

為了確定滲碳工藝相同條件下的最佳稀土添加量，將不同稀土添加量下滲碳樣件的十組滲碳樣件相同位置處平均碳濃度和顯微硬度對(duì)應(yīng)起來，作出曲線如圖6所示。

圖6 不同稀土添加量下顯微硬度與碳濃度曲線

由圖6可以看出，不同稀土添加量下滲碳樣件顯微硬度較大值為稀土添加量10%的滲碳樣件，其碳濃度在0.6%～0.8%之間，在后續(xù)滲碳后的低溫回火中稀土添加量7%的滲碳件能得到硬度合適的馬氏體組織，同時(shí)由圖6也可看出，碳濃度繼續(xù)升高，不同稀土添加量下滲碳樣件滲碳層的顯微硬度都將會(huì)降低，這主要是因?yàn)殡S著碳濃度的增加，雖然奧氏體中碳濃度增加，在隨后得到的馬氏體硬度增加，導(dǎo)致奧氏體中的碳含量也逐漸增加，組織顯微硬度的增加，但是，當(dāng)碳濃度超過一定限度時(shí)，奧氏體中碳濃度進(jìn)一步增加，奧氏體穩(wěn)定化程度顯著增加，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的點(diǎn)降低，隨后的低溫回火后將出現(xiàn)大量的殘留奧氏體，使得組織的硬度值下降。

4 結(jié)論

(1)試驗(yàn)表明，添加稀土元素作為催滲劑進(jìn)行鎖緊自攻螺釘滲碳處理，可以使鎖緊自攻螺釘表面的碳含量增加以及碳化物的分布和形態(tài)發(fā)生變化，使表面硬度提高而且高硬度區(qū)向內(nèi)延伸，使鎖緊自攻螺釘?shù)哪湍バ蕴岣摺?/p>

(2)添加稀土元素作為催滲劑能有效地減輕回火脆性。氯化鑭對(duì)低溫回火各階段的相變起始溫度、終了溫度沒有明顯的影響，但能促進(jìn)回火進(jìn)程，使回火速度加快減輕回火脆性。

(3)在滲碳處理過程中，為了使?jié)B碳表層獲得硬度很高的馬氏體組織，鎖緊自攻螺釘滲碳層表面碳濃度應(yīng)該控制在0.80%～0.95%之間，當(dāng)表面碳濃度超過此區(qū)間時(shí)，由后續(xù)的試驗(yàn)得知，當(dāng)滲碳完成后需采取后續(xù)的工藝措施來消除已經(jīng)存在的殘留奧氏體。

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