改善可控氣氛內(nèi)氧化的滲碳工藝摸索

1、改善可控氣氛內(nèi)氧化的滲碳工藝摸索朱永新 3770 引言內(nèi)氧化是氧擴散進入合金內(nèi)部， 并與氧親和力較基體金屬大的合金元素形成氧化物的過程。 在滲碳和碳氮過程中形成內(nèi)氧化是不利的，因此生產(chǎn)中需要加以控制。本文結(jié)合了可控氣氛爐的特點，分析在不同溫度下碳勢對內(nèi)氧化產(chǎn)生的影響，對滲碳過程中的碳勢實行分段逐級控制，從而達到減小內(nèi)氧化的目的。1 可控氣氛碳勢控制原理各種可控氣氛爐主要有co,h2,n2及微量的 co2,h2o,ch4等氣體組成，普遍以氧探頭作為在線控制碳勢， 同時用鋼箔片加以校正的方法。 氧勢控制的原理可由下列反應式簡要說明 : co ? c+1/2o2 正常情況下，氣氛中的co 值是恒定的

2、，若測出爐氣中的可變氧量，即可直接測定出爐氣的性質(zhì)、 氣氛的碳勢。 即氧探頭是通過測量爐內(nèi)的氧分壓高低，間接反映碳勢的高低。1.1 氧探頭工作原理氧探頭采用空氣作為參比氣體， 當爐內(nèi)的氧分壓與空氣分壓不同時，探頭內(nèi)外電極上將產(chǎn)生濃壓電勢e。其熱力學關系為：e=0.215*t*ln(p空/p參）其中 e 為濃壓電勢 (mv)；t 為爐內(nèi)溫度（ k） ；p空為空氣的氧分壓（其值為0.2095atm） ；p參為爐內(nèi)氣氛的氧分壓。1.2 不同溫度狀態(tài)下爐內(nèi)氧分壓的變化我們以 co 含量為 20%的氮基氣氛爐為例，當碳勢設定為0.80%不變，將爐溫（t1、t2、t3）分別設定為 800，850，900，

3、所測得的電勢（ e1、e2、e3）分別為 1106，1118，1130，我們可以得到下面的關系：e1=1106=0.215*(800+273)*ln(0.2095/p1) e2=1118=0.215*(850+273)* ln(0.2095/p2) e3=1130=0.215*(900+273)* ln(0.2095/p3) 計算后得到：ln(0.2095/p1)=4.795 ln(0.2095/p2)=4.630 ln(0.2095/p3)=4.480 從以上的計算可知，三種溫度下的氧分壓是不一樣的，p1p2p3。在碳勢值不變的情況下，爐內(nèi)的氧分壓隨溫度而升高，兩者為線性正比關系。高溫比低溫

4、更易于氧化， 要減小氧化， 高溫滲碳時必須提高碳勢。 而在真空爐內(nèi)滲碳時，真空狀態(tài)使氧的分壓極低，氧化作用被抑制。這也是真空爐滲碳，內(nèi)氧化遠遠好于可控氣氛爐滲碳的一個重要原因。2 內(nèi)氧化形成過程內(nèi)氧化是氧和合金元素形成氧化物的過程，產(chǎn)生過程為：介質(zhì)中的化學反應產(chǎn)生氧，氧與零件表面發(fā)生反應產(chǎn)生氧原子，經(jīng)過表面吸收、擴散，使零件表面固溶的氧濃度高于內(nèi)部， 在氧濃度梯度的作用下向內(nèi)部擴散， 使合金元素被氧化，形成氧化物， 基體中合金元素貧化， 并伴有脫碳。 氧化過程中氧優(yōu)先通過晶界擴散，同時也有晶內(nèi)擴散， 較低溫度下晶界擴散起主要作用，高溫時晶界擴散和晶內(nèi)擴散都起作用。內(nèi)氧化的形成過程與滲碳存在許多

5、相似，與滲碳一樣，隨溫度、時間的增加，內(nèi)氧化逐漸加深。此外，滲碳爐存在漏氣，滲碳劑中存在p、s 等有害元素時會加劇內(nèi)氧化的產(chǎn)生。3 材料與內(nèi)氧化的關系合金元素存在對內(nèi)氧化有兩方面的作用：一方面合金元素可以提高氧在鋼中的擴散激活能，降低內(nèi)氧化的速度，合金元素含量高，內(nèi)氧化速度減慢；另一方面，材料的合金化程度越高， 滲碳后對材料的特性值的改變也越大，最明顯的是，隨著碳含量的增加， ms 點下降，奧氏體的穩(wěn)定性提高，導致淬火后出現(xiàn)大量的殘余奧氏體， 滲碳時必須降低碳勢， 使爐內(nèi)的氧分壓處于較高的狀態(tài)，內(nèi)氧化速度加快。因此， 片面提高合金元素的含量， 對內(nèi)氧化反而不利。 例如 19cn、 16mncr

6、5、20mncr5 等材料中 ,mn、cr 含量遠遠高于 8620h,20crmo，在滲碳工藝上反而不容易控制。4 滲碳工藝的調(diào)整一般的滲碳工藝可分： 升溫、強滲、擴散、淬火等幾個主要階段 (見工藝 a)。其中擴散又分為高溫擴散（920以上，碳勢 0.90%以下）和低溫擴散（ ac3 以上 30-50，碳勢 0.90%以下）兩個階段進行。擴散起到了降低表層碳含量的目的，為零件最終的淬火作好準備。工藝 a 從氧分壓高低與碳勢的關系看，提高碳勢對減少內(nèi)氧化顯然是十分有利的，但是過分的使用高碳勢又會使?jié)B碳、淬火后滲層出現(xiàn)碳化物、殘余奧氏體超差，硬度不夠等更加嚴重的問題，因此生產(chǎn)中可以提高的幅度十分有

7、限在實際生產(chǎn)中，高溫持續(xù)的時間越長，碳勢越低，內(nèi)氧化的程度也越嚴重，這與高溫下的氧分壓高有直接關系， 滲碳工藝進行以下幾方面的調(diào)整(見工藝 b)：1）提早丙烷等富化劑通入的時間， 使爐膛在較低溫度時就形成一定的碳勢；2）提高強滲、擴散時的碳勢，將碳勢設定接近奧氏體飽和水平。一方面可以降低氧分壓，同時可以縮短滲碳時間；3）高溫擴散時對內(nèi)氧化的影響很大，因此縮短，甚至取消高溫擴散時間；若殘余奧氏體超超差，可以增加低溫擴散時間；工藝 b 通過工藝調(diào)整，滲碳層深度在 0.8mm 以下，內(nèi)氧化完全可以控制在0.015mm的范圍內(nèi)；滲碳層深度在1.3mm 以下，基本可以控制在0.02mm 的范圍內(nèi)；1.3-1.8mm深層較深的零件，基本可以控制在0.02-0.03mm的范圍。5 結(jié)論1）可控