鋼的滲碳熱處理

鋼的滲碳 主要內(nèi)容 一 滲碳的目的和應(yīng)用范圍 定義滲碳 將鋼件置于具有足夠碳勢(shì)的介質(zhì)中加熱到奧氏體狀態(tài)并保溫 使其表層形成一個(gè)富碳層的熱處理工藝 碳勢(shì) 純鐵在一定溫度下于加熱爐氣中加熱時(shí)達(dá)到既不增碳也不脫碳并與爐氣保持平衡時(shí)的表面含碳量 主要目的 是提高工件表面的硬度 耐磨性和疲勞強(qiáng)度 同時(shí)保持心部具有一定強(qiáng)度和良好的塑性與韌性 應(yīng)用范圍 在機(jī)器制造業(yè)中 有許多重要零件 如汽車變速箱齒輪 活塞銷 摩擦片等 可以滲碳的鋼一般是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 12 0 25 的低碳鋼或低碳合金鋼如20 20Cr 20CrMnTi 20CrMnMo 18Cr2Ni4W等 二 滲碳方法 根據(jù)滲碳劑的不同 滲碳方法可分為固體滲碳 液體滲碳和氣體滲碳 1 固體滲碳固體滲碳是將工件置于填滿木炭 90 左右 和催滲劑 BaCO3 CaCO3或Na2CO3等 10 左右 的固體滲碳箱內(nèi)進(jìn)行的 如圖1所示 2 液體滲碳液體滲碳就是在液體介質(zhì)中進(jìn)行的滲碳工藝 它可分為兩類 一類是加有氰化物的鹽浴 另一類是不加氰化物的鹽浴 因氰化物有劇毒現(xiàn)已基本不用 不加氰化物的鹽浴由NaCl或KCl Na2CO3 和 NH2 2CO或木粉組成 如圖2所示 3 氣體滲碳?xì)怏w滲碳是指零件在氣體滲碳劑中進(jìn)行滲碳的工藝 如圖3所示 氣體滲碳法的生產(chǎn)率高 滲碳過(guò)程容易控制 滲碳層質(zhì)量好 且易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化 故應(yīng)用最廣 圖1固體滲碳箱1 滲碳劑2 工件3 箱體4 6mm鐵板4 泥封5 試棒 10mm6 蓋 鐵板厚6 8mm 圖2井式氣體滲碳爐1 風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)2 廢氣火焰3 爐蓋4 砂封5 電阻絲6 耐熱罐7 工件8 爐體 注 在供應(yīng)的原料氣組分穩(wěn)定的情況下 只要控制氣氛中的微量組分CO2 H2O CH4或O2中的任何一個(gè)含量 便可控制上述反應(yīng)達(dá)到某一平衡點(diǎn) 從而實(shí)現(xiàn)控制氣氛碳勢(shì)的目的 通常 生產(chǎn)中用露點(diǎn)儀控制H2O含量 用紅外線儀控制CO2含量 用氧探頭法控制O2含量 三 氣體滲碳 1 滲碳介質(zhì)的分解由介質(zhì)中分解出活性碳原子 滲碳?xì)夥赵诟邷叵路纸獬龌钚蕴荚?C 即 2 碳原子的吸收工件表面吸收活性碳原子 也就是活性碳原子由鋼的表面進(jìn)入鐵的晶格而形成固溶體 或形成特殊化合物 3 碳原子的擴(kuò)散被工件吸收的碳原子 在一定溫度下 由表面向內(nèi)部擴(kuò)散 形成一定厚度的滲層 一 原理 1 氣氛碳勢(shì)一般滲碳件的表面含碳量可在0 6 1 1 間變化 確定最佳表面碳含量的出發(fā)點(diǎn)首先是獲得最高的表面硬度 其次是使?jié)B層具有最高的耐磨性和抗磨損疲勞性能 研究表明 滲碳層的表面碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最好在0 8 1 0 范圍內(nèi)最佳表層碳含量確定后就可根據(jù)表面碳含量與碳勢(shì)的關(guān)系 確定碳勢(shì) 2 滲碳溫度滲碳溫度首先影響著分解反應(yīng)平衡 粗略地說(shuō) 如果氣氛中的CO2含量不變 則溫度每降低10 將使氣氛碳勢(shì)增加約0 08 其次 溫度也影響碳的擴(kuò)散速度 如果氣氛碳勢(shì)不變 溫度每提高100 可使?jié)B碳層深度增加1倍 第三 溫度還影響著鋼中的組織轉(zhuǎn)變 溫度過(guò)高會(huì)使鋼的晶粒粗大 生產(chǎn)上廣泛使用的溫度是900 930 對(duì)于薄層滲碳溫度可降到880 900 這主要是為了控制滲碳層深度 而對(duì)于深層滲碳 大于5mm 溫度可提高到980 1000 這主要是為了縮短滲碳時(shí)間 3 滲碳時(shí)間滲碳時(shí)間主要影響滲層深度 同時(shí)也在一定程度上影響濃度梯度 二 工藝參數(shù)的選擇與控制 d 滲層深度 mm t 滲碳時(shí)間 h T 滲碳溫度 K 三 滲碳工藝參數(shù)的綜合選擇 升溫階段工件達(dá)到滲碳溫度前的一段時(shí)間 用較低的碳勢(shì) 高速滲碳階段正常溫度或更高溫度下 用高于所需表面碳含量的碳勢(shì) 時(shí)間較長(zhǎng) 擴(kuò)散階段工件降到或維持在正常滲碳溫度下碳勢(shì)降到所需表面碳含量 時(shí)間較短 預(yù)冷階段使溫度降低到淬火溫度 便于直接淬火 圖3氣體滲碳典型工藝曲線 低碳鋼滲碳后 表層含碳量可達(dá)過(guò)共析成分 由表往里碳濃度逐漸降低 直至滲碳鋼的原始成分 滲碳件緩冷后 表層組織為珠光體加二次滲碳體 心部為鐵素體加少量珠光體組織 兩者之間為過(guò)渡層 越靠近表層鐵素體越少 一般規(guī)定 從表面到過(guò)渡層一半處的厚度為滲碳層的厚度 四 滲碳層成分 組織和厚度 典型零件滲碳層厚度確定方法 1 淬火淬火是為了獲得馬氏體組織 以得到高硬度 通常有三種方法 即預(yù)冷直接淬火 一次加熱淬火和二次加熱淬火 滲碳零件淬火溫度的選擇要兼顧高碳的滲層和低碳的心部?jī)煞矫娴囊?原則上 過(guò)共析層的淬火溫度低于Accm 而亞共析層的淬火溫度高于Ac3 如果Accm Ac3 很容易選擇一個(gè)淬火溫度來(lái)同時(shí)滿足這兩者的要求 果Accm Ac3 則很難同時(shí)兼顧 在這種情況下 要根據(jù)對(duì)零件的主要技術(shù)要求 鋼件的心部能否淬透 滲碳后零件的表面含碳量和所采用的淬火方法等綜合考慮加以決定 五 滲碳后的熱處理 預(yù)冷直接淬火對(duì)于碳鋼 預(yù)冷溫度應(yīng)在Ar1 Ar3之間 對(duì)于多數(shù)合金鋼 通常預(yù)冷溫度在820 850 之間 一次加熱淬火一般合金滲碳鋼 常采用稍高于Ac3的溫度 820 860 加熱淬火 二次加熱淬火第一次淬火的加熱溫度應(yīng)高于心部的Ac3溫度 第二次淬火主要是為細(xì)化表層組織 溫度選擇稍高于表層的Ac1 圖5滲碳件常用的淬火方法a 預(yù)冷直接淬火b 一次淬火法c 二次淬火法 2 回火滲碳件淬火后尚需進(jìn)行低溫回火 回火溫度通常為150 190 3 冷處理作用是減少或消除殘余奧氏體 從而適當(dāng)提高滲層硬度 由于冷處理生產(chǎn)成本高 又增加了工序 目前生產(chǎn)中除特殊滲碳零件外 一般很少采用 20鋼4 硝酸酒精500 930 氣體滲碳8小時(shí) 直接淬火表層組織照片 馬氏體 碳化物 白色顆粒 殘余奧氏體 20鋼4 硝酸酒精500 930 氣體滲碳8小時(shí) 930 加熱淬火心部組織照片 低碳馬氏體 未溶鐵素體 1 也可用齒頂硬度代替 對(duì)斜齒輪 圓錐齒輪 還可用齒端面硬度代替 但均應(yīng)考慮與齒面硬度的差異 對(duì)無(wú)法用硬度計(jì)檢驗(yàn)的齒輪 可用標(biāo)準(zhǔn)銼刀檢驗(yàn) 或用隨爐試樣檢測(cè) 2 心部硬度也可用隨爐試樣檢測(cè) 其他零件心部硬度在距表面三倍滲碳層深度以外處進(jìn)行檢測(cè) 3 所謂過(guò)渡區(qū) 是指由共析區(qū)內(nèi)側(cè)至心部外側(cè)組織之間的區(qū)域 1 外觀工件表面無(wú)氧化 銹蝕 剝落 碰傷 裂紋等 2 硬度在淬火 回火后檢驗(yàn) 表面硬度 心部硬度及非滲碳區(qū)硬度應(yīng)符合技術(shù)要求 對(duì)滲碳齒輪 JB T7516 1994規(guī)定表面硬度以分度圓處齒面為準(zhǔn) 1 心部硬度的檢測(cè)部位為齒根圓與輪齒中心線相交處 2 檢率按規(guī)定執(zhí)行 硬度不合格時(shí) 應(yīng)加倍抽檢 仍不合格則視情況進(jìn)行返修或判報(bào)廢 3 滲碳層深度常用滲碳層深度檢測(cè)法有以下四種 斷口目測(cè)法將滲碳工件淬火后打斷 觀察斷口形貌 滲碳層呈白瓷狀 中心未滲碳部分呈灰色纖維狀斷口 金相測(cè)量法滲碳緩冷后的試樣經(jīng)磨制 腐蝕后 在顯微鏡下測(cè)定 碳鋼的滲碳層深度是從表面垂直量至1 2過(guò)渡區(qū) 3 其滲碳層包括過(guò)共析層 共析層 1 2過(guò)渡區(qū) 并要求過(guò)共析與共析區(qū)之和應(yīng)占總層深的75 以上 合金鋼滲層深度是從表面垂直量至出現(xiàn)心部原始組織為止 包括過(guò)共析層 共析層 過(guò)渡區(qū)全部 并要求過(guò)共析與共析區(qū)之和應(yīng)占總層深的50 以上 硬度測(cè)量法根據(jù)GB T9450 2005進(jìn)行測(cè)量 剝層化學(xué)分析法此法精確可靠 但取樣和分析較麻煩 生產(chǎn)中很少采用 4 金相組織檢驗(yàn)一般在淬火 回火后 按有關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn) 檢驗(yàn)項(xiàng)目包括碳化物 大小 數(shù)量和分布等 馬氏體針的大小及殘余奧氏體數(shù)量多少 心部游離鐵素體的大小和數(shù)量等 5 裂紋可靠性要求高的齒輪在熱處理和磨齒后 100 檢驗(yàn) 一般齒輪進(jìn)行抽檢 檢驗(yàn)方法有磁粉探傷 超聲波探傷 金相法等 6 畸變按圖樣技術(shù)要求進(jìn)行檢驗(yàn) 六 滲碳件質(zhì)量檢查 1 表面硬度偏低2 滲層深度不夠或不均勻3 金相組織不合格4 滲碳層內(nèi)出現(xiàn)氧化5 零件變形超差6 心部硬度過(guò)高 七 滲碳熱處理的常見缺陷及產(chǎn)生原因 一 常見缺陷 1 表面硬度偏低可能是表面脫碳 或出現(xiàn)非馬氏體組織 或是表層馬氏體回火抗力低等2 滲層深度不足或不均勻深度不足 滲碳時(shí)間過(guò)短 深度不均勻 爐氣循環(huán)不良或溫度不均勻 往往與爐子設(shè)計(jì)和零件裝爐情況不良有關(guān) 3 金相組織不合格不采用過(guò)高的氣氛碳勢(shì) 采用細(xì)晶粒鋼 采用一次加熱淬火 采用冷處理 適當(dāng)提高淬火溫度4 滲碳層內(nèi)氧化滲碳?xì)夥罩泻?