滲碳淬火熱處理工藝

1、滲碳淬火工藝1、鋼的淬火鋼的淬火與回火是熱處理工藝中最重要，也是用途最廣泛的工 序。淬火可以顯著提高鋼的強(qiáng)度和硬度。為了消除淬火鋼的殘余應(yīng)力， 得到不同強(qiáng)度，硬度和韌性配合的性能，需要配以不同溫度的回火。 所以淬火和回火又是不可分割的、緊密銜接在一起的兩種熱處理工 藝。淬火、回火作為各種機(jī)器零件及工、模具的最終熱處理是賦予鋼 件最終性能的關(guān)鍵工序，也是鋼件熱處理強(qiáng)化的重要手段之一。1.1淬火的定義和目的把鋼加熱到奧氏體化溫度，保溫一定時(shí)間，然后以大于臨界冷卻 速度進(jìn)行冷卻，這種熱處理操作稱(chēng)為淬火。鋼件淬火后獲得馬氏體或 下貝氏體組織。圖4為滲碳齒輪20CrNi2Mo材料淬火、回火工藝。淬火的目

2、的一般有：1.1.1提高工具、滲碳工件和其他高強(qiáng)度耐磨機(jī)器零件等的強(qiáng) 度、硬度和耐磨性。例如高速工具鋼通過(guò)淬火回火后，硬度可達(dá) 63HRC，且具有良好的紅硬性。滲碳工件通過(guò)淬火回火后，硬度可達(dá) 5863HRC。1.1.2結(jié)構(gòu)鋼通過(guò)淬火和高溫回火（又稱(chēng)調(diào)質(zhì)）之后獲得良好綜 合力學(xué)性能。例如汽車(chē)半軸經(jīng)淬火和高溫回火（280320HB）及外圓 中頻淬火后，不僅提高了花鍵耐磨性，而且使汽車(chē)半軸承受扭轉(zhuǎn)、彎 曲和沖擊載荷能力（尤其是疲勞強(qiáng)度和韌性）大為提高。淬火時(shí)，最常用的冷卻介質(zhì)是水、鹽水、堿水和油等。通常碳素 鋼用水冷卻，水價(jià)廉易得，合金鋼用油來(lái)冷卻，但對(duì)要求高硬度的軋 輥采用鹽水或堿水冷卻，輥面經(jīng)

3、淬火后硬度高而均勻，但對(duì)操作要求 非常嚴(yán)格，否則容易產(chǎn)生開(kāi)裂。1.2鋼的淬透性2.2.1淬透性的基本概念所謂鋼材的淬透性是指鋼在淬火時(shí)獲得淬硬層深度大小的能力（即鋼材淬透能力），其大小用鋼在一定條件下（頂端淬火法）淬火 獲得的有效淬硬層深度來(lái)表示，淬透性是每種鋼材所固有的屬性，淬 硬層愈深，就表明鋼的淬透性愈好，例如45、40Cr、42CrMo鋼三種 試樣，按相同條件淬火后（油冷卻），經(jīng)檢測(cè)45鋼能被淬透的最大直 徑（稱(chēng)臨界直徑）© 10mm; 40Cr鋼能被淬透的最大直徑 © 22mm;42CrMo鋼能被淬透的最大直徑© 40mm。實(shí)際工件的有效淬硬深度與鋼的淬

4、透性、 工件尺寸及淬火介質(zhì)的 冷卻能力等許多因素有關(guān)，例如，同一鋼種在相同介質(zhì)中淬火，小件 比大件的淬硬層深；同一鋼種相同尺寸時(shí)，水淬比油淬的淬硬層深。同一種鋼，其成分和冶煉質(zhì)量必然在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，因而有關(guān)手冊(cè)上所提供的某鋼號(hào)的淬透性曲線(xiàn)往往不是一條線(xiàn)，而是一個(gè)范 圍，稱(chēng)淬透性帶。圖5為40Cr鋼的淬透性帶。圖5 40Cr鋼的淬透性帶鋼的淬透性值可用J （HRC/ d ）表示，其中J表示末端淬透性， d表示至水冷端的距離，HRC為該處測(cè)得的硬度值。例如淬透性值 J （42表示距水冷端 5mm處試樣硬度值為 42HRC;淬透性值J （3035/10）表示距水冷端10mm處試樣硬度值為3035H

5、RC。對(duì)淬 透性值有具體要求的鋼應(yīng)根據(jù) GB/T5216-2004保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定訂貨，其鋼號(hào)最后用 H表示，例如42CrMoH。2、鋼的回火2.1回火的定義和目的鋼淬火后必須經(jīng)過(guò)回火，回火是指將淬火鋼加熱到Aci （鋼件加熱時(shí)的臨界點(diǎn)）以下的某一溫度，經(jīng)過(guò)保溫，然后以一定的冷卻方法 冷至室溫的熱處理工藝，見(jiàn)圖 4?；鼗鸬哪康模?.1.1降低脆性，減少或消除內(nèi)應(yīng)力，防止工件變形或開(kāi)裂。2.1.2獲得工藝所要求的力學(xué)性能。淬火工件的硬度高且脆性大， 通過(guò)適當(dāng)回火可調(diào)整硬度，獲得所需要的塑性、韌性。，它們會(huì)自發(fā)地向穩(wěn)定的平衡組織轉(zhuǎn)變， 從而引起工件尺寸和形 狀的改變，通過(guò)回火可使淬火馬

6、氏體和殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)檩^穩(wěn)定組 織，以保證工件在使用過(guò)程中不發(fā)生尺寸和形狀的變化。2.1.4對(duì)于某些高淬透性的合金鋼，空冷便可淬成馬氏體，如采 用退火軟化，貝惆期很長(zhǎng)。此時(shí)可采用高溫回火，降低硬度，以利切 削加工。淬火鋼不經(jīng)回火一般不能直接使用，為了避免工件在放置過(guò)程中 發(fā)生變形和開(kāi)裂，淬火后應(yīng)及時(shí)回火。2.2、回火的種類(lèi)淬火鋼回火后組織性能決定于回火溫度，根據(jù)回火溫度范圍，可將回火分為三類(lèi)：2.2.1低溫回火 低溫回火的溫度為150250C，回火后組織為 回火馬氏體，低溫回火主要降低鋼的淬火內(nèi)應(yīng)力和脆性， 同時(shí)保持鋼 在淬火后的高硬度（一般為5864HRC）和耐磨性，常用于處理各種 工具、模

7、具、軸承、滲碳件及經(jīng)表面淬火工件。中溫回火的溫度為350500C，回火后不僅保持較高硬度（一 般為3545HRC）和強(qiáng)度，而且具有高的彈性極限和足夠的韌性。中 溫回火主要用于各種彈簧的處理， 還用于某些塑料模、熱鍛模以及要 求較高強(qiáng)度的軸、軸套等。223高溫回火 高溫回火的溫度為 500650C。高溫回火后的 組織為回火索氏體，這種組織具有良好的綜合力學(xué)性能。二、化學(xué)熱處理工件放在一定的化學(xué)介質(zhì)中加熱到一定溫度， 使其表面與介質(zhì)相 互作用，吸收其中某些化學(xué)元素的原子（或離子），并自表面向內(nèi)部 擴(kuò)散的過(guò)程稱(chēng)為化學(xué)熱處理?；瘜W(xué)熱處理包括滲碳、滲氮、碳氮共滲 等?；瘜W(xué)熱處理的結(jié)果是改變了金屬表面的化

8、學(xué)成分和性能。例如低碳鋼經(jīng)過(guò)表面滲碳淬火后，該鋼種的工件表面就具有了普通高碳鋼淬 火后的高硬度、高耐磨的性能特征，而心部仍保留低碳鋼淬火后良好 的塑性、韌性的特征。顯然這是單一的低碳鋼或高碳鋼所不能達(dá)到的。1、鋼的滲碳1.1鋼的滲碳基本原理和氣體滲碳工藝 在滲碳溫度下（920C ）滲碳過(guò)程包括三個(gè)基本過(guò)程： 一是由介質(zhì)（甲醇、煤油、異丙醇）分解出活性原子。如分解產(chǎn)生的 一氧化碳和甲烷分解出活性碳原子：2CO CO2+CCH4 2H2+C 二是活性碳原子被工件表面吸收。 三是被吸收碳原子向工件內(nèi)部擴(kuò)散。滲碳過(guò)程由分解、吸收、擴(kuò)散三過(guò)程組成，三個(gè)過(guò)程又是同時(shí)發(fā) 生的，全部過(guò)程存在著復(fù)雜物理化學(xué)反應(yīng)

9、。氣體滲碳法是將工件放入密封 的滲碳爐內(nèi)，圖8為氣體滲碳法示 意圖，使工件在920C高溫的滲碳 氣氛中進(jìn)行滲碳。通入的有機(jī)物液 體（甲醇、煤油、異丙醇）在高溫 下分解，產(chǎn)生活性碳原子，并被加 熱到奧氏體狀態(tài)的工件表面吸收， 而后向鋼內(nèi)部擴(kuò)散。滲碳時(shí)最主要 的工藝參數(shù)是加熱溫度和保溫時(shí)間。 加熱溫度愈高，滲碳速度就愈快， 且擴(kuò)散層的厚度也愈深。圖8氣體滲碳法示意圖溫920 C度：滲碳830-850 C排氣|強(qiáng)滲 擴(kuò)散| I 淬火時(shí)間（h）II I I圖9氣體滲碳典型工藝圖9為氣體滲碳典型工藝，從工藝中明顯可見(jiàn)滲碳劑分解（含排 氣）、強(qiáng)滲（吸收）、擴(kuò)散和爐冷到850C直接油冷淬火的全過(guò)程。1.2滲

10、碳件質(zhì)量要求對(duì)滲碳件質(zhì)量要求在國(guó)標(biāo) GB/T8539-2000中已有明確規(guī)定，這里 對(duì)幾個(gè)主要方面再說(shuō)明一下。1.2.1表面硬度和心部硬度齒表面硬度是指成品齒輪工作齒高中間部位齒面硬度，對(duì)錐齒輪指齒頂部表面硬度。輪齒的心部硬度是指齒寬中部齒根30°切線(xiàn)的法向上，深度為5倍硬化層 深，但不少于1倍模數(shù)。這是一個(gè)推薦 測(cè)量部位，為了便于可操作性，可按技 術(shù)條件或供需雙方協(xié)議的圖10齒心部硬度示意圖檢查方法進(jìn)行檢查。一般檢測(cè)齒寬中部法截面上，在輪齒的中心線(xiàn)與 齒根圓相交處的硬度，見(jiàn)圖10示意圖。表面硬度和心部硬度是工件耐磨性能的重要指標(biāo)，也是材料抗接 觸疲勞和彎曲疲勞的一個(gè)特性。經(jīng)滲碳淬火

11、后表面硬度應(yīng)達(dá)到 5864HRC （大截面齒輪和齒輪軸一般 5662HRC）,心部硬度根據(jù)不 同質(zhì)量要求按規(guī)定控制，一般在2542HRC, MQ級(jí)齒輪要求25HRC 以上，ME級(jí)齒輪要求35HRC以上。硬度一般采用里氏硬度計(jì)或洛 氏硬度計(jì)作為檢測(cè)工具。1.2.2滲碳層表面碳濃度和碳濃度梯度 滲碳零件表面碳濃度要求控制在 0.750.95%為宜，過(guò)低會(huì)使耐磨 性下降，過(guò)高時(shí)脆性增大，強(qiáng)度不能滿(mǎn)足要求。碳濃度梯度反映了碳濃度沿滲層下降的指標(biāo)，它間接地反映了滲層的硬度梯度。碳濃度下降得越平穩(wěn)越好，以保證滲層與基體牢固結(jié) 合，避免在使用過(guò)程中產(chǎn)生剝落現(xiàn)象。圖11為相同滲碳層總深度（3 mm ）三種碳濃

12、度梯度狀況。圖11相同滲碳層總深度（3 mm ）三種碳濃度梯度a）好b ）不好c ）不好1.2.3有效硬化層深度（滲碳層深度）有效硬化層深度取決于零件的工作條件和心部強(qiáng)度，是確定零件 承載能力的重要參數(shù)。目前對(duì)有效硬化層深度我廠技術(shù)設(shè)計(jì)部推薦采 用GC/SY01-10滲碳淬火齒輪有效硬化層深度技術(shù)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)。 有效硬化層深度是指零件滲碳淬火后，從零件表面到維氏硬度值為 550HV1處的垂直距離。測(cè)定硬度所采用的試驗(yàn)力為9.807N （1 kgf）。1.3、零件滲碳后的熱處理工件滲碳的目的在于使表面獲得高的硬度和耐磨性，因此滲碳后的工件，必須通過(guò)熱處理使表面獲得馬氏體組織， 滲碳后的熱處理方 法

13、有三種：直接淬火法是將工件自滲碳溫度爐冷到淬火溫度后立即淬 火，然后在160190C進(jìn)行低溫回火。這種方法不需要重新加熱淬火， 因而減小了熱處理變形，節(jié)省了時(shí)間和降低成本，但由于滲碳溫度高， 滲碳加熱時(shí)間長(zhǎng)，因而奧氏體晶粒粗大，淬火后殘余奧氏體量較多， 使工件性能下降，所以直接淬火法只適用于本質(zhì)細(xì)晶粒鋼或性能要求 較低的工件。這是一般工廠經(jīng)常采用工藝。132 次淬火法 一次淬火法是將工件自滲碳后以適當(dāng)方式冷 至室溫，然后再重新加熱淬火并低溫回火。 對(duì)于要求心部有較高強(qiáng)度 和較好韌性的零件，可以細(xì)化晶粒。這是大型齒輪、齒輪軸等經(jīng)常米 用方法。133兩次淬火法 兩次淬火法是將工件自滲碳后冷至室溫后

14、再 進(jìn)行兩次淬火。第一次淬火目的是細(xì)化心部晶粒，淬火溫度較高，第 二次淬火目的是細(xì)化表層晶粒，淬火溫度較低，這種方法適宜用使用 性能要求很高的工件，缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，工件容易變形， 工廠應(yīng)用較少。對(duì)于零件有不允許滲碳硬化部位應(yīng)在設(shè)計(jì)圖樣上標(biāo)明，該部位可采用防滲涂料進(jìn)行保護(hù)。近幾年來(lái)，我廠為適應(yīng)寶鋼進(jìn)口設(shè)備齒輪箱的國(guó)產(chǎn)化要求，對(duì)熱處理進(jìn)行了相應(yīng)技術(shù)改造，添置具有國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平的計(jì)算機(jī)過(guò)程控 制的大型滲碳爐，由工業(yè)計(jì)算機(jī)、進(jìn)口智能控溫儀、進(jìn)口智能碳控儀、 氧探頭等組成，爐溫控制精度w士 3C,爐溫采用爐內(nèi)主控，爐外輔 控；碳濃度控制精度w士 0.05% ;滲碳層深度偏差w 10% ;滲碳

15、硬化 層深度范圍16mm。從而對(duì)爐內(nèi)碳濃度、爐溫、滲碳硬化層深度等 實(shí)現(xiàn)精確控制，保證了產(chǎn)品滲碳質(zhì)量。為減少盤(pán)形齒輪變形，從俄羅 斯進(jìn)口了淬火壓床。目前我廠有© 3000X2000mm、© 2000x2500mm、 © 1700X2000mm、© 1200X 2000mm、© 900x 1200mm 井式氣體滲 碳爐五臺(tái)。2、我國(guó)對(duì)齒輪用鋼的冶金質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和要求齒輪鋼材的冶金質(zhì)量不僅影響到產(chǎn)品的機(jī)械性能，特別是疲勞性能，而且還影響到齒輪生產(chǎn)過(guò)程中的冷熱加工性能及熱處理工藝性 能。所以對(duì)齒輪鋼材的冶金質(zhì)量有各種規(guī)定和要求，現(xiàn)列出部份相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要

16、求，供有關(guān)人員查閱和使用。必須指出，隨著對(duì)齒輪產(chǎn)品質(zhì) 量要求不斷提高和與國(guó)外廠商合作的不斷加強(qiáng)，對(duì)鋼材的冶金質(zhì)量要求會(huì)越來(lái)越高。我國(guó)對(duì)齒輪用鋼的冶金質(zhì)量一般要求見(jiàn)表3:表3齒輪鋼材的冶金質(zhì)量要求表項(xiàng)目名稱(chēng)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求化學(xué)成分JB/T6395-92大型齒輪、 齒圈鍛件 和GB/T3077-1999合金結(jié)構(gòu) 鋼化學(xué)成分不得超過(guò)表中數(shù)字，鋼中硫、磷及殘余銅、鉻、鎳、鉬不大 于下表規(guī)定，（熱壓力加工用鋼的銅含量不大于0.20%）PSCuCrNiMo優(yōu)質(zhì)鋼0.0350.0350.300.300.300.15高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼0.0250.0250.250.300.300.10特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼0,0250.0150

17、.250.30 :0.30:0.10 :疏松和偏 析GB/T3077-1999合金結(jié)構(gòu)鋼按GB/T3077-1999合金結(jié)構(gòu)鋼規(guī)定不得7保證低倍檢驗(yàn)合格，可采用超聲波檢驗(yàn)或其他超過(guò)表中數(shù)字（如供方能 無(wú)損探傷法代替低倍）鋼種般疏松中心疏 松錠型偏析一般點(diǎn)狀 偏析邊緣點(diǎn)狀 偏析優(yōu)質(zhì)鋼< 3級(jí)w 3級(jí)w 3級(jí)w 1級(jí)w 1級(jí)：高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼< 2級(jí)w 2級(jí)w 2級(jí)不允許有不允許有特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼w 1級(jí)w 1級(jí)w 1級(jí)不允許有不允許有:純度及冶 煉GB/T8539-2000齒輪材料及熱 處理質(zhì)里檢驗(yàn)的 一般規(guī)定GB/T10561-2005鋼中非金屬夾 雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微 檢驗(yàn)法鋼材在鋼包中脫氧及精煉處理，并經(jīng)真空脫氣，澆鑄過(guò)程應(yīng)有防氧化 措施，最大氧含量 25ppm，按GB/T10561方法B檢驗(yàn)H區(qū)純度，檢 驗(yàn)面積近200mm2。下表為夾雜物級(jí)別A （硫化物類(lèi)）B （氧化鋁類(lèi)）C （硅酸鹽類(lèi)）D （球狀氧化