鋼的滲碳熱處理

鋼的滲碳 主要內容 一 滲碳的目的和應用范圍 定義滲碳 將鋼件置于具有足夠碳勢的介質中加熱到奧氏體狀態(tài)并保溫 使其表層形成一個富碳層的熱處理工藝 碳勢 純鐵在一定溫度下于加熱爐氣中加熱時達到既不增碳也不脫碳并與爐氣保持平衡時的表面含碳量 主要目的 是提高工件表面的硬度 耐磨性和疲勞強度 同時保持心部具有一定強度和良好的塑性與韌性 應用范圍 在機器制造業(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量分數(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 的固體滲碳箱內進行的 如圖1所示 2 液體滲碳液體滲碳就是在液體介質中進行的滲碳工藝 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 氣體滲碳氣體滲碳是指零件在氣體滲碳劑中進行滲碳的工藝 如圖3所示 氣體滲碳法的生產(chǎn)率高 滲碳過程容易控制 滲碳層質量好 且易實現(xiàn)機械化與自動化 故應用最廣 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 風扇電動機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中的任何一個含量 便可控制上述反應達到某一平衡點 從而實現(xiàn)控制氣氛碳勢的目的 通常 生產(chǎn)中用露點儀控制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 滲碳介質的分解由介質中分解出活性碳原子 滲碳氣氛在高溫下分解出活性碳原子 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 碳原子的擴散被工件吸收的碳原子 在一定溫度下 由表面向內部擴散 形成一定厚度的滲層 一 原理 1 氣氛碳勢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量分數(shù)最好在0 8 1 0 范圍內最佳表層碳含量確定后就可根據(jù)表面碳含量與碳勢的關系 確定碳勢 2 滲碳溫度滲碳溫度首先影響著分解反應平衡 粗略地說 如果氣氛中的CO2含量不變 則溫度每降低10 將使氣氛碳勢增加約0 08 其次 溫度也影響碳的擴散速度 如果氣氛碳勢不變 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變 溫度過高會使鋼的晶粒粗大 生產(chǎn)上廣泛使用的溫度是900 930 對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間 3 滲碳時間滲碳時間主要影響滲層深度 同時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 升溫階段工件達到滲碳溫度前的一段時間 用較低的碳勢 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 時間較長 擴散階段工件降到或維持在正常滲碳溫度下碳勢降到所需表面碳含量 時間較短 預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 表層含碳量可達過共析成分 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 兩者之間為過渡層 越靠近表層鐵素體越少 一般規(guī)定 從表面到過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兩方面的要求 原則上 過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 很容易選擇一個淬火溫度來同時滿足這兩者的要求 果Accm Ac3 則很難同時兼顧 在這種情況下 要根據(jù)對零件的主要技術要求 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 預冷直接淬火對于碳鋼 預冷溫度應在Ar1 Ar3之間 對于多數(shù)合金鋼 通常預冷溫度在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高于心部的Ac3溫度 第二次淬火主要是為細化表層組織 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 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 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 對斜齒輪 圓錐齒輪 還可用齒端面硬度代替 但均應考慮與齒面硬度的差異 對無法用硬度計檢驗的齒輪 可用標準銼刀檢驗 或用隨爐試樣檢測 2 心部硬度也可用隨爐試樣檢測 其他零件心部硬度在距表面三倍滲碳層深度以外處進行檢測 3 所謂過渡區(qū) 是指由共析區(qū)內側至心部外側組織之間的區(qū)域 1 外觀工件表面無氧化 銹蝕 剝落 碰傷 裂紋等 2 硬度在淬火 回火后檢驗 表面硬度 心部硬度及非滲碳區(qū)硬度應符合技術要求 對滲碳齒輪 JB T7516 1994規(guī)定表面硬度以分度圓處齒面為準 1 心部硬度的檢測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 應加倍抽檢 仍不合格則視情況進行返修或判報廢 3 滲碳層深度常用滲碳層深度檢測法有以下四種 斷口目測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 金相測量法滲碳緩冷后的試樣經(jīng)磨制 腐蝕后 在顯微鏡下測定 碳鋼的滲碳層深度是從表面垂直量至1 2過渡區(qū) 3 其滲碳層包括過共析層 共析層 1 2過渡區(qū) 并要求過共析與共析區(qū)之和應占總層深的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 包括過共析層 共析層 過渡區(qū)全部 并要求過共析與共析區(qū)之和應占總層深的50 以上 硬度測量法根據(jù)GB T9450 2005進行測量 剝層化學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 金相組織檢驗一般在淬火 回火后 按有關行業(yè)標準進行檢驗 檢驗項目包括碳化物 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 一般齒輪進行抽檢 檢驗方法有磁粉探傷 超聲波探傷 金相法等 6 畸變按圖樣技術要求進行檢驗 六 滲碳件質量檢查 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 滲碳層內出現(xiàn)氧化5 零件變形超差6 心部硬度過高 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 滲碳時間過短 深度不均勻 爐氣循環(huán)不良或溫度不均勻 往往與爐子設計和零件裝爐情況不良有關 3 金相組織不合格不采用過高的氣氛碳勢 采用細晶粒鋼 采用一次加熱淬火 采用冷處理 適當提高淬火溫度4 滲碳層內氧化滲碳氣氛中含