機械零件深層滲碳工藝的優(yōu)化

魏久祥

摘要：在國民經(jīng)濟高速發(fā)展的背景下，國內(nèi)也有著更多的中型與重型機械設(shè)備需求，尤其是對機械和設(shè)備中的關(guān)鍵零部件要求越來越高。需要機械零部件在工程作業(yè)中擁有更高的壽命、抗疲勞強度、抗沖擊疲勞強度、硬度等指標(biāo)。而深層滲碳工藝作為一種應(yīng)用廣泛且實用的化學(xué)熱處理技術(shù)得到普遍認可。但在深層滲碳工藝中還存在著許多問題，本文以20CrMnTi鋼軸套和重載齒輪為引例，簡述深層滲碳工藝技術(shù)中存在的問題和關(guān)鍵技術(shù)工藝優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：深層滲碳;20CrMnTi鋼;重載齒輪;熱處理

中圖分類號：TG162.75 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0034-02

1 ?緒論

深層滲碳作為一種應(yīng)用廣泛的表面熱處理技術(shù)，具有改善金屬材料的性能，延長機械零部件使用壽命，提高機械零件耐磨性、抗沖擊性等使用性能。所以，在工程作業(yè)中對關(guān)鍵零部件進行滲碳處理是必不可少的工藝。

2 ?深層滲碳零件選擇與工藝分析

2.1 重載齒輪滲碳淬火熱處理工藝概述

滲碳重載齒輪材料按承載能力可分為：一般承載能力用滲碳鋼和高承載能力用滲碳鋼;按淬透性可分為：低、中、高淬透性滲碳鋼。重載齒輪的滲碳淬火熱處理工藝包括：預(yù)備熱處理、滲碳淬火、回火和噴丸強化等過程。通常技術(shù)要求為表面硬度、心部硬度、硬化層深度、表面含碳量、顯微組織和畸變等。

2.2 重載齒輪深層滲碳工藝分析

為了增加齒輪的有效硬化層深度，應(yīng)將滲碳處理時的溫度控制在880～900℃，加速滲碳介質(zhì)的分解使碳溶解在奧氏體，有效提高滲碳層的深度。在滲碳處理前，我們需要把溫度升高到500℃來除去滲碳件表面殘留的油脂類污垢，降低齒輪表面因高溫氧化而脫碳并且減少其表面非馬氏體組織的形成。之后，將溫度升高到800℃，我們將這一過程稱為透燒，其目的是為了降低加熱過程工件的熱應(yīng)力，減少齒輪形變并為高溫加熱做準(zhǔn)備。

滲碳后對工件進行淬火是必要環(huán)節(jié)，而淬火溫度的高低也會對材料組織性能產(chǎn)生直接作用。我們將淬火溫度一般定為810℃，淬火油溫保持在60℃，這樣才能獲得性能良好且不易形變和開裂的工件。在選取淬火冷卻介質(zhì)時，我們應(yīng)選擇高溫時冷卻速度快，低溫時冷卻速度慢的介質(zhì)，這樣能保證不因熱應(yīng)力而引起工件變形。

丙酮在滲碳過程中能分解大量的碳和氣體，使?fàn)t內(nèi)碳勢升高，加快爐內(nèi)氣氛與工件表層碳原子的轉(zhuǎn)換，使表層滲碳速度加快。

3 ?深層滲碳工藝優(yōu)化

3.1 深層滲碳前期準(zhǔn)備及注意事項

3.1.1 滲碳鋼的選擇

滲碳鋼的碳含量通常為0.1～0.25%，例如15，20鋼，因為它的心部具有淬火回火后足夠的延展性和韌性。重負載零件的碳含量0.30～0.25%，提高心部的強度，高碳鋼一般不需要滲碳。

對受載重、截面大的零件，需采用12Cr2Ni4、20Cr、18GrNiW、18GrMnTi等合金滲碳鋼，此類低碳合金鋼有著較好的淬透性，能夠讓心部強度加大，以滿足各類服役條件。

滲碳用鋼，需要對鋼材質(zhì)量加以注意，滲碳用鋼不得有嚴重的帶狀組織，如果有帶狀組織存在，會使得鋼材產(chǎn)生各向異性，低碳鋼板要是存在嚴重帶狀組織，用以制作出的摩擦片進行滲碳會出現(xiàn)滲碳層含碳不均勻的狀況。同時，碳中不得存在粗大的夾雜物，更不得在滲碳層表面分布，不然有較大可能造成應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋。

3.1.2 滲碳技術(shù)指標(biāo)的制定

3.1.2.1 滲碳層的含碳量

一般滲碳層表面含碳量以0.8～1.0%為最佳。過高有著較大可能性有網(wǎng)狀碳化物產(chǎn)生，使工件的抗接觸疲勞能力下降。但是，也存在少數(shù)傳動部件，有著0.85～0.95%的要求，以使得過剩的碳化物減少，避免滲碳表層發(fā)生剝落。

3.1.2.2 滲碳層深度

滲碳層深度，是在滲碳后自鋼件表面至具有0.45～0.50%碳濃度的位置的距離，在淬火后鋼件的硬度為40～45HRC，相當(dāng)半馬氏體組織，一般是由鋼件表面測至有產(chǎn)生機體組織止。零件滲碳層深度的確定，需要考量服役條件、用途及尺寸。通常情形下，如果能夠?qū)B碳層含碳量有正確控制，滲碳層深度的加大，會使得零件的機械性能增強，譬如：疲勞強度、抗彎強度等。但是，對滲碳層深度的過度追求，不僅是對能源的浪費，且對機械性能的提升也不具有顯著作用。反之會降低零件的抗沖擊能力。但是，也不能太淺，不然會導(dǎo)致表面疲勞脫離。

3.1.2.3 滲碳硬化層的組織

在隱晶馬氏體的基體上，有著細小碳化物顆粒與少量殘余奧氏體均布，此就是滲碳硬化層的組織。實驗顯示：此類組織有著較好的耐磨性與韌性，特別是與網(wǎng)狀碳化物相比較，具有更高的抗接觸磨損疲勞性能。對零件有著較高強度要求的，心部組織應(yīng)為低碳馬氏體。需要注意的是，在心部組織中，不得有游離鐵素體存在，特別是網(wǎng)狀分布的。原因是此類組織會嚴重影響到強度，特別是彎曲疲勞強度。對心部硬度的要求一般在20～45HRC，重載荷零件（合金鋼）應(yīng)在30HRC以上。

為實現(xiàn)碳化物網(wǎng)絡(luò)的消除，有著以下兩種方法：第一，對碳勢進行控制，使得滲碳層具有在1.05%以下的含碳量;第二，在滲碳后，直接進行淬火。過往較多應(yīng)用的二次淬火盡管可使得滲碳層的質(zhì)量提高，但是不足是能源消耗更大，且會使得變形加大。

3.1.3 滲碳時應(yīng)注意的問題

3.1.3.1 非滲碳面問題

部分零件的滲碳僅涉及到表面的某一部分，其它部位無需滲碳。面對此種狀況，需要結(jié)合實情予以解決，應(yīng)用較多的方法有：

加大加工余量：也就是對無需滲碳的部分，預(yù)留一定的余量待后續(xù)加工，一般為滲碳層厚度的1.5～2倍左右。

鍍銅：對工件部位無需滲碳的，進行鍍銅處理，鍍層厚度為0.03～0.05mm。

不管是加大余量，或者是鍍銅，均是有效辦法。

涂層：使用水玻璃調(diào)和細沙、耐火粘土或抗?jié)B碳涂料、石棉粉，獲得膏狀涂料，并在非滲碳面上涂抹，然后烘干。內(nèi)孔或桿無需滲碳的零件，可用有使用水玻璃進行浸泡的石棉繩纏在桿的非滲碳面上或塞在孔內(nèi)，烘干即可。

堵孔：不滲碳的深孔或小孔，可在孔中填砂和氧化鐵皮混合物，然后用水泥、石棉粉與水玻璃混合物堵塞。

3.1.3.2 磨削余量問題

在滲碳淬火后，零件需磨削加工的，對磨削余量需要加以注意。如果有過大的磨削余量，那么就會磨削掉表面硬度最高的滲碳硬化層，僅留下硬度較低的，導(dǎo)致零件耐磨性較差，使用壽命過短;如果留的余量過小，那么就無法磨削掉表層可能存在的網(wǎng)狀碳化物，使得產(chǎn)生麻點，或者是表層脫落。對需磨削的滲碳零件，需要結(jié)合表層含碳量與滲層深度，對余量問題予以解決。

3.1.3.3 碳濃度梯度問題

在滲碳件表面至中心的方向上，碳濃度在單位距離的變化量，就是碳濃度梯度。我們一般要求碳濃度梯度要小，這就需要精準(zhǔn)的控制滲碳時溫度、時間、介質(zhì)和氣氛碳勢。采用離子滲碳與真空滲碳，有著較小的碳濃度梯度;對碳濃度梯度，氣體滲碳借由丙酮（或煤油）與CH3OH的滴量進行調(diào)節(jié)實現(xiàn)控制，但是控制難度較大。

3.2 深層滲碳優(yōu)化工藝方案制定

3.2.1 爐溫檢測與控制

從滲透深度和均勻爐溫之間的關(guān)系，當(dāng)爐溫度均勻性為±10℃，滲碳層深度變化±5.7%，當(dāng)達到±7℃的溫度均勻性，滲碳層深度±2.9%的偏差，如果溫度均勻性的程度進一步提高±5℃，滲碳層深度誤差±2.8%，與爐溫均勻度±10℃提升至±7℃相比改善作用不明顯。且在大中型滲碳工藝中，對滲碳爐和電控系統(tǒng)要求較高。從縮短爐內(nèi)均勻溫度和經(jīng)濟可行性兩方面綜合考慮，對大型滲碳爐爐溫均勻溫度一般控制在±7℃。

滲碳溫度選擇：一般來說，深層滲碳中提高滲碳溫度，能縮短滲碳時間。但過高的溫度也不行，我們一般把滲碳溫度提高到930±10℃，這樣既防止晶粒粗化和工件變形，同時對滲碳爐也起到了一定保護作用。但隨著新的滲碳技術(shù)和新的滲碳設(shè)備的提出，像高溫滲碳，其滲碳時的溫度就可達到1050℃。所以，根據(jù)自身要求和滲碳條件選擇合適的滲碳工藝。

3.2.2 碳濃度及其分布、碳化物及其規(guī)定

①碳濃度。碳具有耐磨而脆的特性，所以，其作用在零件上也是有相同的效果，當(dāng)零件表層含碳量高時，其耐磨性增加，而當(dāng)零件（尤其是齒輪等零件）受沖擊載荷時，其壽命會因彎曲疲勞強度這一“短板”而降低。但過高的含碳量也不行，含碳量過高會加大成本并且零件滲碳后的使用性能也不會良好，所以我們規(guī)定像重載齒輪零件表面碳濃度一般為0.8～1.15%。

②碳濃度分布。應(yīng)使過渡層區(qū)域的碳濃度梯度下降變得緩慢一些，這樣既能提高滲碳件心部的含碳量也能防止產(chǎn)生疲勞裂紋。在控制零件碳濃度梯度時，我們應(yīng)及時查看和檢測零件表層碳濃度是否達到飽和，若達到飽和我們應(yīng)降低碳勢減少氣體流量，使表層碳濃度得以擴散。

③碳化物的大小和形狀的規(guī)定。碳化物的大小和形狀對滲碳件的性能起著關(guān)鍵的作用。所以，一般對大型重載齒輪的碳化物（滲碳后）的尺寸有明確的要求。最大尺寸超過2微米則不合格，允許有尺寸超過1微米的碳化物，但應(yīng)占總齒輪數(shù)10%以下，絕大部分碳化物的尺寸應(yīng)該在0.5微米以下。

3.2.3 如何控制碳勢和碳化物形態(tài)

①如何控制碳勢。碳勢控制工藝非常重要，它的“好壞”直接影響著零件表面的碳濃度及其分布，并且也影響著碳化物的形成。因此，工藝過程中的碳勢控制需要注意以下幾點：1）用連續(xù)碳勢控制取代通斷碳勢控制;2）計算機軟件控制;3）注意觀察合理的碳濃度分布曲線。

②如何控制碳化物形態(tài)。滲碳時的溫度、氣氛碳勢、時間等因素都影響著碳化物形成的狀態(tài)。滲碳溫度過高和過低都影響著間隙原子與置換原子的運動，影響著晶內(nèi)形核和晶界形核，最終影響著碳化物的形態(tài)。為了控制碳化物形態(tài)，我們可采取預(yù)處理滲碳，就是在低溫的時候，加大碳濃度，然后隨著溫度升高再調(diào)節(jié)碳勢，直到獲得所需的滲碳深度。這樣避免了更多的網(wǎng)狀、塊狀等碳化物的形成，提高了零件的使用性能。

4 ?結(jié)論

本文主要介紹了深層滲碳技術(shù)作為一種熱化學(xué)處理技術(shù)，應(yīng)用也越來越廣泛，尤其是在大中型設(shè)備中，對提高零件性能非常重要。其中較常規(guī)滲碳，近些年來涌現(xiàn)了很多新的工藝，如真空低壓滲碳、高溫低壓滲碳、高溫離子滲層滲碳等日漸發(fā)展了起來。

首先以20CrMnTi鋼軸套和重載齒輪為例進行了工藝分析，其次從分析中對深層滲碳工藝進行了優(yōu)化，從滲碳鋼的選擇、滲碳技術(shù)指標(biāo)的制定、滲碳時應(yīng)注意的問題等方面優(yōu)化了滲碳爐爐溫控制、滲碳件碳濃度分布與形態(tài)和碳勢控制。

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