畢業(yè)論文-雙排爐氣體滲碳工藝調(diào)試與性能研究

畢業(yè)設計（論文）題目：雙排爐氣體滲碳工藝調(diào)試與性能研究學院：專業(yè)：材料科學與工程（金屬材料）班級：學生姓名：學號：指導教師：

摘要我國汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展對汽車零部件熱處理的質(zhì)量提出了更高的要求，同時，現(xiàn)代化大生產(chǎn)又要求實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化、自動化。連續(xù)式氣體滲碳自動線使零部件能夠在生產(chǎn)線上一次完成加熱、滲碳、淬火、回火等工藝流程，很好的實現(xiàn)了生產(chǎn)的自動化，而且經(jīng)過了多年的發(fā)展，其結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，熱處理質(zhì)量不斷提高，完全滿足了生產(chǎn)的要求，得到了大量應用。東風汽車公司刃量具廠于今年引入了一條連續(xù)式氣體滲碳自動線，準備將其用于汽車精密齒輪的滲碳熱處理中，該生產(chǎn)線已經(jīng)完成了安裝，正在調(diào)試期。本課題旨在通過選擇實驗材料、制定工藝流程，并在這條連續(xù)式氣體滲碳自動線上對材料進行滲碳、淬火、回火等熱處理，然后通過金相實驗、硬度測試、磨損試驗等分析材料組織是否正常，性能是否良好來確定工藝是否合理，能否按照既定的工藝流程開爐生產(chǎn)，達到對該設備進行調(diào)試的目的。關鍵詞：連續(xù)式氣體滲碳自動線；熱處理設備；氣體滲碳；調(diào)試

AbstractTherapiddevelopmentofChina'sautomobileindustryputahigherrequirementonthequalityofautomotivecomponents'heattreatment,whilemodernmassproductionrequiredachievingproductionmechanizationandautomation.Continuousgascarburizingautomaticlinemakesitpossibleforpartstobeheated,carburized,quenchedandtemperedinacompleteproductionline,whichachievedautomatedproductionperfectly.Andafteryearsofdevelopment,thestructureofContinuousgascarburizingautomaticlinehasbeencontinuouslyoptimized,thequalityofpartswhichheattreatedbyithasalsobeenimproved,Continuousgascarburizingautomaticlinefullymeettheproductionrequirements,andthusobtainedalargenumberofapplications.DongfengMotorCorporationblademeasuringplantintroducedacontinuousgascarburizingautomaticlinethisyear,thisfacilityisreadytobeusedforcarburizingheattreatmentofautomotiveprecisiongears,theproductionlinehasbeencompletedinstalled,butstillundercommissioningperiod.Thispaperaimstodebugthisfacilitybyanalyzingtissueandtestingpropertyoftheexperimentalmaterialwhichtobeheattreatedinthiscontinuousgascarburizingautomaticline.Keywords:Continuousgascarburizingautomaticline;heattreatmentequipment;gascarburization;debugging

目錄第一章概論…………11.1連續(xù)式熱處理爐……………11.1.1工作原理………………11.1.2連續(xù)式熱處理的分類…………………11.2連續(xù)式氣體滲碳自動線……………………71.2.1連續(xù)式氣體滲碳自動線結(jié)構(gòu)…………71.2.2連續(xù)式氣體滲碳自動線的發(fā)展………91.3氣體滲碳……………………111.3.1滲碳原理…………………111.3.2氣體滲碳分類…………111.3.3滲碳工藝………………131.3.4滲碳前的預備熱處理…………………131.3.5滲碳后的碳濃度及滲碳層及其組織…………………141.3.6滲碳后零件的熱處理…………………14第二章實驗內(nèi)容…………………162.1實驗材料及設備…………162.1.1實驗材料………………162.1.2實驗設備………………162.2實驗步驟……………………162.2.1線切割…………………162.2.2滲碳淬火熱處理………172.2.3金相組織觀察…………202.2.4摩擦磨損實驗…………21第三章實驗結(jié)果與分析…………233.1金相分析……………………233.2硬度分析……………………253.3摩擦性能分析………………26第四章結(jié)論………………………28致謝…………………29參考文獻……………30-32-概論連續(xù)式熱處理爐連續(xù)式熱處理爐是利用機械推料或為機械化爐底輸料的熱處理爐，工件連續(xù)地通過爐膛，同時完成各種工藝操作。主要適用于處理品種單一、批量較大的的熱處理生產(chǎn)。這種爐型比較容易實現(xiàn)機械化和自動控制，容易滿足工藝和熱工的要求。在現(xiàn)代化的大生產(chǎn)中連續(xù)式熱處理爐得到廣泛的應用，而且在不斷的發(fā)展。連續(xù)式熱處理爐的爐內(nèi)溫度沿爐子長度方向變化，但不隨時間變化。工件在爐內(nèi)完成加熱、保溫和冷卻等過程。工作原理連續(xù)式熱處理爐是靠機械傳動裝置推動工件或料盤在滑道上滑動，從而使工件沿滑倒自動傳送至熱處理爐的不同功能區(qū)域，并在爐子各個區(qū)域完成加熱，滲碳，保溫，冷卻，清洗等過程，實現(xiàn)熱處理的自動化的設備。連續(xù)式熱處理爐的分類連續(xù)式熱處理爐大致包括：推料式爐、步進式爐、環(huán)形爐、分室式爐、鏈式爐、輥底式爐、震底式爐、牽引式爐、井式爐和罐式爐。[4]推料式熱處理爐推料式熱處理爐是直通結(jié)構(gòu)，借助推料機構(gòu)或機械化爐底輸料機構(gòu)使需要被熱處理的工件在爐內(nèi)連續(xù)運行，完成工件的淬火、正貨、回火、和化學熱處理。連續(xù)運行是從宏觀上來說的，在生產(chǎn)中，工件在爐內(nèi)的運行其實是間歇的。推料式熱處理爐結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠，在熱處理工藝中應用廣泛。推料式熱處理爐的推料方式可以是推料機械直接推料，工件在滑道上運動，對于不適于直接推送的工件也可以采用推桿式、推管式、輥道式等。推桿式爐，是將工件裝入料盤（或料框）內(nèi)，爐子工作時推動料盤在滑道上運動。對于齒輪、軸類零件一般采用推桿式。圖1.1是輻射管式推桿式氣體滲碳爐示意圖。工件由爐子側(cè)面推入前室，再從正面推入爐內(nèi)，工件被推倒爐子末端后，被側(cè)向推料機推到后室淬火。[1]圖1.1輻射管式推桿式氣體滲碳爐1—液壓推料機；2—裝料門；3—輻射管；4—拱門；5—導軌；6—爐門；7—循環(huán)風扇推桿爐通常按照工藝要求分區(qū)段控溫和控制爐內(nèi)氣氛。比如說上述氣體滲碳爐就可以分為加熱區(qū)、滲碳區(qū)、擴散區(qū)和預冷區(qū)等。為了使各區(qū)段溫度和氣氛保持獨立，通常在各區(qū)段交界處拱門，以此來降低各區(qū)段的相互干擾。對于大而薄的工件，既不適用于直接推料式，也不適合用推桿式，此時，可以采用推管式。由于鋼板是圓形，在沿滑道推動時很容易被推偏或被拱翻，為了避免這種情況，保證工件的正常連續(xù)加熱，可以將鋼板放在托管上，托管放在帶凹槽的滑道上，生產(chǎn)時推動托管在滑道的凹槽里滑動，托管帶動鋼板運動，完成對鋼板的熱處理。推桿式、推管式熱處理爐的熱效率普遍很低。原因是在生產(chǎn)過程中，加熱工件的同時，料盤和管也同時被加熱，并且也隨著工件被推出爐外，待其冷卻后再由人工將其放入滑道。這一過程損失了大量熱量。同時由于氧化作用，盤和管不斷氧化脫落，容易損壞。步進式熱處理爐步進式熱處理爐是機械化爐底加熱爐，屬于連續(xù)爐。它是以步進機械帶動被加熱物料在爐內(nèi)的運動代替推料機推動物料在爐內(nèi)的運動。步進機械在爐內(nèi)運動的過程是：升起、前進、下降和后退，每完成一個循環(huán)成為一個周期，如圖1.2。圖1.2步進機運動過程步進式加熱爐的特點1）運料靈活，可以根據(jù)要求調(diào)整步進周期；必要時可以將爐內(nèi)的物料全部清出；可以調(diào)整入爐物料之間的間隔，所以為快速加熱創(chuàng)造了條件；對加熱容易脫碳的鋼種十分有利。2）可以實現(xiàn)快速加熱。由于在步進底（或步進梁）上物料之間有一定的間隔，所以可以對物料進行多面加熱，使加熱時間大大縮短，和推料式加熱爐相比，加熱時間可縮短50%甚至更多。3）可加熱推料式加熱爐難以加熱的物料，如薄板、圓形鋼坯、圓管和異形物料。4）消除推料式加熱爐的拱料現(xiàn)象，爐寬和爐長不再受限制。5）使用無水冷的“爐底”，可以節(jié)約燃料，提高熱效率。步進式加熱爐分為步進底式和步進梁式加熱爐，步進底式加熱爐如圖1.3所示。步進底式加熱爐是步進底運動并帶動被加熱的物料在爐內(nèi)運動；步進梁式加熱爐是步進梁運動并帶動被加熱物料在爐內(nèi)運動，爐底固定不動。圖1.3步進底式加熱爐分室式快速加熱爐分室式快速加熱爐是由若干個加熱室和間室組成的，如圖1.4.工件靠設在間室的輥子的轉(zhuǎn)動帶動被加熱的工件運動，輥子的運動方向和速度都是可調(diào)的。加熱室既起到傳熱的作用又是燃燒室，燃料在此燃燒，形成高溫，實現(xiàn)快速加熱。間室的作用是減少加熱室向輥子的傳熱量，這樣一方面可以保護輥子，使其不至于在加熱室高溫作用下被燒壞，另一方面不至于為了對輥子進行過分的冷卻而影響到工件的加熱速度和加熱質(zhì)量。沒有間室的快速加熱爐就是輥底爐。1.4分室式快速加熱爐分室式快速加熱爐的特點：1）分室式快速加熱爐能實現(xiàn)快速加熱。分室式快速加熱爐的爐型可以千差萬別，但是加熱室的形狀只有圓形和方圓形兩種。燃料入爐后，被高溫的爐壁加熱，迅速燃燒，高溫的燃燒產(chǎn)物加熱爐壁；高溫的燃燒產(chǎn)物和爐壁以對流傳熱和輻射傳熱的方式加熱新入爐的燃料和空氣，使其混合、燃燒。這種燃燒與爐壁間傳熱的相輔相成的作用稱為“表面燃燒”。燃料以較大的速度在切線方向拱入爐內(nèi)，在爐內(nèi)形成強烈的旋轉(zhuǎn)循環(huán)氣流，這一作用促進了空氣與燃料的混合，且延長了空氣與燃料的混合路徑。這樣可以在容積不大的加熱室內(nèi)拱入較多的燃料，而且在空氣系數(shù)不大的條件下得到完全燃燒，使得加熱室具有很高的容積熱強度。由于表面燃燒作用和大的容積熱強度，使爐子的內(nèi)表面形成高溫。這樣，靠爐壁的高溫的直接定向輻射傳熱和高溫高速旋轉(zhuǎn)氣流的對流傳熱，實現(xiàn)了對工件的快速加熱。另外，在分室式加熱爐內(nèi)，工件多面受熱，也有利于工件的加熱。生產(chǎn)實踐證明，工件在分室式快速加熱爐內(nèi)的加熱時間和在一般的推料式爐內(nèi)的加熱速度相比可提高約10倍。2）工藝上的適應性。分室式快速加熱爐在工件的運送速度和爐溫控制上都具有很大的靈活性，所以對于工件的產(chǎn)量、鋼種、規(guī)格變化和生產(chǎn)中出現(xiàn)的種種不正常情況，都可以及時進行調(diào)整。3）工件加熱均勻，氧化燒損少。4）分室式快速加熱爐的缺點是：單位長度上產(chǎn)量低，排煙溫度高，由于爐內(nèi)溫度高，爐體和輥子需要經(jīng)常更換和維護。鏈式熱處理爐鏈式熱處理加熱爐的結(jié)構(gòu)如圖1.5所示。這種結(jié)構(gòu)的熱處理爐結(jié)構(gòu)比較簡單，主要是用在冶金工廠的薄板車間。鏈式熱處理加熱爐的主要組成部分為：鏈條、傳動輪、傳動機構(gòu)、尾部轉(zhuǎn)向輪和鏈條張緊裝置。圖1.5鏈式爐示意圖除了冶金工廠使用的鏈式熱處理以外，還有許多不同類型的鏈式爐，按照運料機械來分有鏈帶、鏈條、金屬絲網(wǎng)帶和整體網(wǎng)帶。為了讓鏈條在低溫條件下工作，可以讓鏈條在爐內(nèi)的溝槽里運行，或者也能夠?qū)㈡湕l置于爐外。但是鏈爪卻必須置于爐內(nèi)的高溫環(huán)境下，所以了鏈爪的材料要根據(jù)不同的爐溫選擇。鏈帶式熱處理爐是將鏈板組接在一起構(gòu)成的。工作時將工件置于鏈帶上，對零件的形狀沒有要求。加熱尺寸比較大的工件時，鏈板之間可以留有空隙，加熱尺寸小的零件則不能留有空隙。鏈帶是一個平面，兩邊裝有擋板，可以防止掉料。輥底式加熱爐簡介輥底式加熱爐是在爐子的整個長度上，每隔一定距離安裝一根爐輥，以此組成爐內(nèi)輥道，輥道之間相互平行。輥底爐廣泛應用于大型工件、大批量生產(chǎn)的淬火、回火、正火和退火生產(chǎn)中的加熱，主要加熱對象有鋼管、薄板等。還可用于工件的可控氣氛熱處理。輥底爐非常適合用于連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)的生產(chǎn)線，其主要特點如下：1）爐內(nèi)的物料靠爐內(nèi)不停轉(zhuǎn)動的輥道運動，爐內(nèi)輥道式車間輥道的一部分；容易實現(xiàn)生產(chǎn)自動化；2）工件在輥道上運動，從兩面加熱，受熱比較均勻，并且加熱速度快；3）具有步進式加熱爐和鏈式爐的優(yōu)點，輥底式加熱爐的輥子始終在爐內(nèi)不停轉(zhuǎn)動，與鏈式爐相比，減少了鏈條在爐外造成的熱量損失。4）其不足之處在于輥底爐的爐輥使用耐熱高合金鋼制成，因此成本高，投資較大。2.輥底爐操作方式輥底式加熱爐有兩種操作方式，一種方式是工件從爐子的一端進去，在爐內(nèi)勻速運動，完成加熱、保溫等熱處理工序，從另一端出去。第二種方式是爐輥時而正轉(zhuǎn)、時而反轉(zhuǎn)，工件在爐內(nèi)來回擺動完成熱處理。擺動操作時輥底爐熱油的操作方式，這是因為爐輥必須在爐內(nèi)不停的轉(zhuǎn)動，否則就會在高溫和重力作用下彎曲變形。所以在爐子長度一定的情況下，為了保證工件在爐內(nèi)有足夠的處理時間，就只能采用擺動的操作方式。3.輥底爐加熱輥底爐的加熱方式有兩種，可以使用燃料直接加熱，也可以采用氣體保護間接加熱。加熱元件有燒嘴和輻射管兩種，可以將加熱元件布置在爐底輥上面，也可以在爐底輥下面或上下同時布置。輥底爐的爐溫制度也有兩種，分別是恒溫制度和變溫制度。恒溫制度就是爐子溫度不隨爐子長度改變，整個爐子保持同一溫度。這種溫度制度的特點是工件加熱速度快，鋼板和鋼管正火、淬火時可以采用這種溫度制度。變溫制度是爐溫沿爐子長度方向變化，根據(jù)對工件熱處理的要求，爐子各段溫度不同，以實現(xiàn)工件的加熱、保溫和緩冷等過程。然而不管是恒溫還是變溫，都需要對爐子進行分段控制。每一段都要用熱電偶測溫，以此控制各段溫度。連續(xù)式氣體滲碳淬火自動線所謂雙排爐其實就是連續(xù)式氣體滲碳淬火自動生產(chǎn)線，自動線由連續(xù)氣體滲碳爐、淬火槽、清洗機、低溫回火爐以及電控和顯示設備等部分組成，如圖1.6所示。該生產(chǎn)線可完成工件的氣體滲碳、淬火、清洗和低溫回火等工序。而滲碳爐又分為加熱區(qū)、滲碳區(qū)、擴散區(qū)、預冷淬火區(qū)等。爐內(nèi)通入滲碳氣氛，并安裝風扇來調(diào)節(jié)爐內(nèi)氣氛均勻度和溫度的均勻性。將需要進行滲碳淬火的零件裝盤后，通過推料機構(gòu)將裝有零件的料盤一步步送到各個熱處理區(qū)，完成對零件的熱處理。雙排爐氣體滲碳線實現(xiàn)了滲碳熱處理的自動化，大大簡化了人工，降低了成本，提高了生產(chǎn)效率和零件的質(zhì)量，因此得到了廣泛的應用。連續(xù)式氣體滲碳自動線結(jié)構(gòu)滲碳爐主體部分滲碳爐的類型常見的有推桿式、輥底式。其主體部分大致由推料裝置（大推桿）或輥道、前密封室、大爐爐體、側(cè)出料機構(gòu)、前爐門和后爐門、爐頂風扇等部分構(gòu)成。爐膛通常分為5個區(qū)段：一、二兩個加熱區(qū)，三區(qū)為滲碳區(qū)，四區(qū)為擴散區(qū)，五區(qū)為保溫淬火區(qū)。各區(qū)交界處砌筑拱墻或雙拱墻，以使各區(qū)形成相對獨立的溫度、氣氛控制區(qū)。滲碳爐體由爐殼、砌磚體、爐導軌、風扇、前進料室、后爐門等構(gòu)成1）爐殼：對爐子起密封作用，用鋼板和型鋼焊接制成。2）砌磚體：由石棉板、保溫填料、硅藻土磚、輕質(zhì)耐火磚、抗?jié)B碳重質(zhì)高鋁磚砌成的無罐滲碳室。3）爐導軌：通常用耐熱合金（如Cr18Ni25Si2）澆鑄而成，在爐內(nèi)起導向作用，保證爐內(nèi)零件按一定方向有I區(qū)到V區(qū)。4）風扇：設置在II、III、IV區(qū)，共有3個，作用是保證爐氣混合均勻，同時也對爐溫的均勻性起到一定作用，風扇強制爐內(nèi)氣流由爐壁兩側(cè)向下運動，并通過爐底部中間向上流動，以保證零件滲碳的均勻性。5）前進料室：其作用是防止爐門打開的瞬間，爐外空氣進入爐內(nèi)氧化零件，影響滲碳質(zhì)量。前室有兩道爐門，當零件進入前室后，流入前室的空氣靠爐內(nèi)壓力排出一部分（約70%）；然后再啟動第二到爐門，將零件推入爐內(nèi)。6）后爐門：用于爐子發(fā)生故障時處理故障的，平時生產(chǎn)過程中處于關閉狀態(tài)。[1]淬火槽淬火槽由鋼板焊接而成，裝入淬火油，使用溫度在60-100攝氏度之間，使用時淬火油要處于循環(huán)運動狀態(tài)，防止其溫度升高。[1]清洗機清洗機的作用是將淬火后零件上附著的淬火油及炭黑清洗干凈，零件在清洗機內(nèi)總共經(jīng)過四道工序：清洗、熱堿水噴淋、清水噴淋、熱風烘干。其中堿水是3%-5%的Na2CO3溶液，溫度控制在70-80攝氏度。[1]低溫回火爐低溫回火爐為箱式貫通式，用于滲碳淬火后零件的回火。其料盤置于導軌上，爐膛中部設有一臺離心風機，電熱元件布置在爐膛兩側(cè)。[1]1.2.2連續(xù)式氣體滲碳自動線的發(fā)展連續(xù)式氣體滲碳自動生產(chǎn)線自上世紀六十年代開始從國外大量引進并在我國投入生產(chǎn)以來，不斷在生產(chǎn)實踐中被該進、優(yōu)化，發(fā)生了一系列顯著的變化。滲碳爐體的變化滲碳爐體一開始是采用單排料盤，產(chǎn)量比較低。后來出現(xiàn)了雙排甚至多排料盤的滲碳爐，這大大提高了產(chǎn)量，并有效利用了能源，使生產(chǎn)效率得到了大幅提升。滲碳爐體的料盤排數(shù)也成為了劃分單排爐和雙排爐的指標，現(xiàn)在，單排爐已經(jīng)基本被淘汰了。除此之外，進料方式也發(fā)生了變化。一開始都是從爐子端部進料，這導致了爐氣的大量溢出，空氣大量進入爐內(nèi)，還會導致零件的氧化，降低滲碳速度和質(zhì)量。后來，為了減少爐氣的溢出，有的滲碳爐開始采用側(cè)進料，還發(fā)展出從底部進料的滲碳爐[24]。為了細化晶粒，出現(xiàn)了在主體滲碳爐中設置滲碳室，中間冷卻室和再加熱室的爐子[8]，工件經(jīng)中冷，晶粒得到了細化[21]。新設備的加入預處理爐。預處理爐的使用溫度為450-500攝氏度，用于清除滲碳件表面油脂，同時形成一層很薄的氧化層，增強滲碳的活性及滲層的均勻性。噴丸機。噴丸機也叫噴砂機，其原理是利用高速的壓縮空氣將砂材（丸）直接打到零件表面，以達到提高金屬件疲勞強度，改善并消除應力，提高強度的作用。3.爐內(nèi)可控氣氛的變化1）雙排爐氣體滲碳中，最初是用天然氣，液化石油氣，城市煤氣等作為原料，在有觸媒劑（催化劑）的高溫反應爐中產(chǎn)生化學反應，制備吸熱式氣氛。用天然氣制備吸熱式氣氛的化學反應：CH4+2.38（空氣）——CO+2H2+1.88N21反應在1000攝氏度左右進行，生成的氣氛中CO占20%左右，H2占40%左右，其余為N2、CO2和少量CH4和H2O。用液化石油氣制備吸熱式氣氛的化學反應：C3H8+7.14（空氣）——3CO+4H2+5.64N22反應在1000攝氏度左右進行，生成的氣氛中CO占23%-35%左右，H2占32%-33%左右，其余為N2、CO2、和少量CH4和H2O。2）然而，隨著石油價格的大幅度上漲和天然氣供應緊張等市場因素,上世紀七十年代，國外開始研制用氮基氣氛代替天然氣或液化石油氣的試驗工作。八十年代以后,國外氮基氣氛熱處理作為一種新技術、新工藝得到了較快的發(fā)展,氮基氣氛滲碳工藝及設備開始進入生產(chǎn)應用階段。我國氮基氣氛熱處理工作起步較晚,自九十年代末期,隨著高純度氮氣制備技術的發(fā)展,我國的氮基氣氛熱處理開始走向應用階段,目前在國內(nèi)熱處理行業(yè)中的應用已日益廣泛。[9]文獻[9]指出，采用N2+甲醇(CH3OH)制備氮基氣氛時，當N2:CH3OH為40%:60%時,氣氛中CO:H2:N2約為20%:40%:40%,這個比例與用天然氣為原料氣制備出來的吸熱式氣氛的組成比例相當接近,因此顯然可以承襲傳統(tǒng)的吸熱式氣氛的控制方法。而且，與用天然氣制備吸熱式氣氛相比，氮基氣氛還有如下優(yōu)點：1）氮基氣氛是一種中性氣體，在200-1200攝氏度的熱處理溫度范圍中不會與鋼鐵發(fā)生化學反應，并且無毒，不燃燒，不爆炸。2）經(jīng)濟，容易取得?？諝庵?8%的氣體是氮氣，采用膜分離技術可以制得濃度為99.5%-99.9&的氮氣。3）在氮氣中添加少量CO、H2等還原性氣體可以形成氮基保護氣氛，從而控制微量氧氣的有害作用。

氣體滲碳滲碳原理1）滲碳反應在滲碳生產(chǎn)中，最主要的滲碳組分是CO和CH4，通過反應產(chǎn)生活性碳原子[C]：2CO——[C]+CO2CO——[C]+1/2O2CO+H2——[C]+H2OCH4——[C]+2H22）滲碳過程滲碳的全過程包括分解、吸收和擴散三個基本過程。eq\o\ac(○,1)分解階段是指滲碳劑通過反應，形成了CO、CH4等滲碳組分，其中CO為弱滲碳氣體，而CH4為強滲碳氣體，在高溫下會在零件表面進一步分解，形成滲入2能力很高的活性碳原子[C]。eq\o\ac(○,2)吸收階段是指活性碳原子被零件表面吸附、吸收的過程。鋼臨界點以上所形成的奧氏體具有較大的溶解碳的能力，當超過碳原子吸收能力時，會在零件表面堆積，從而形成炭黑，并影響到滲碳的正常進行。eq\o\ac(○,3)擴散階段是已被吸收的碳原子向零件內(nèi)部擴散滲入。由于表面吸收了活性碳原子，故碳濃度提高，造成零件內(nèi)外產(chǎn)生碳濃度差，使碳原子從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域擴散，形成滲碳層。上述滲碳的三個過程均對滲碳結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。在吸碳階段需要滲碳劑提供足夠的活性碳原子，利用零件表面對碳原子的吸收。活性碳原子太少則會使表面的含碳量低；活性碳原子太多則又使多余的碳原子結(jié)合成分子溢出，形成的炭黑會影響滲碳的正常進行。在擴散階段若吸收的活性碳原子數(shù)量小于擴散的數(shù)量，會造成表面的含碳量達不到技術要求，擴散速度則會明顯減慢。氣體滲碳分類氣體滲碳是工件在氣體介質(zhì)中進行碳滲入的方法。滲碳氣體可以用碳氫化合物有機液體，如煤油、丙酮等直接滴入爐內(nèi)氣化而得。氣體在滲碳溫度熱分解，析出活性原子，滲入工件表面。也可以將事先制備好的一定成分的氣體通入爐內(nèi)，在滲碳溫度下分解出活性碳原子滲入工件表面來進行滲碳。[5]用有機液體直接滴入滲碳爐內(nèi)的氣體滲碳法稱為滴注式氣體滲碳。而事先制備好滲碳氣氛然后通入滲碳爐內(nèi)進行滲碳的方法，根據(jù)滲碳氣的制備方法分為吸熱式氣氛滲碳、氮基氣氛滲碳等。1）滴注式氣體滲碳當用煤油等作為滲碳劑直接滴入滲碳爐內(nèi)進行滲碳時，由于在滲碳溫度熱分解時析出活性碳原子過多，往往不能全部被鋼件表面吸收，而在工件表面沉積成炭黑、焦油等，阻礙滲碳過程的繼續(xù)進行，造成滲碳層深度及碳濃度不均勻等缺陷，為了克服這些缺點，今年來發(fā)展了滴注式可控氣氛滲碳。這種方法無需特殊設備，只要對現(xiàn)有井式滲碳爐稍加改裝，配上一套測量控制儀表即可。滴注式可控氣氛滲碳一般采用兩種有機液體同時滴入爐內(nèi)。一種液體產(chǎn)生的氣體碳勢較低，作為稀釋氣體；另一種液體產(chǎn)生的氣體碳勢較高，作為富化氣。改變兩種液體的滴入比例，可使零件表面含碳量控制在要求的范圍內(nèi)。2）吸熱式氣氛滲碳用吸熱式氣氛進行滲碳時，往往用吸熱式氣氛加富華氣的混合氣進行滲碳，其碳勢控制靠調(diào)節(jié)富華氣的添加量來實現(xiàn)。一般常用丙烷作富華氣。當用CO2紅外線分析控制儀控制爐內(nèi)碳勢時，其操作原理基本上與滴注式氣體滲碳相同。不過在此處只開啟富華氣的閥門，調(diào)整富華氣的流量來調(diào)節(jié)爐氣碳勢。由于吸熱式氣氛需要有特殊的氣體發(fā)生設備，其啟動需要一定的過程，故一般適用于大批量生產(chǎn)的連續(xù)作業(yè)爐。連續(xù)式滲碳在貫通式爐內(nèi)進行。一般貫通式爐分成四個區(qū)，以對應于滲碳過程的四個階段（加熱、滲碳、擴散和預冷淬火）。不同區(qū)域要求氣氛碳勢不同，以此對碳勢進行分區(qū)控制。3）氮基氣氛滲碳氮基氣氛滲碳是指以氮氣為載體，添加富華氣或其他供碳劑的氣體滲碳方法，該方法具有能耗低、安全、無毒等優(yōu)點。本實驗中選用氮基氣氛進行滲碳。滲碳工藝滲碳的目的是在工件表面獲得一定的表面碳濃度、一定的碳濃度梯度及一定的滲層深度。選擇滲碳工藝規(guī)范的原則是如何以最快的速度、最經(jīng)濟的效果獲得符合要求的滲碳層?？煽貧夥諠B碳的工藝參數(shù)包括滲碳劑類型及單位時間消耗量、滲碳溫度、滲碳時間。1.滲碳劑消耗量滴注式可控氣氛滲碳時，首先把滴注劑總流量調(diào)整至使爐氣達到所需碳勢，然后在滲碳過程中根據(jù)爐氣碳勢的測定結(jié)果稍加調(diào)整稀釋劑（甲醇）與滲碳劑（丙酮）的相對含量（也可只調(diào)整滲碳劑流量）。吸熱式可控氣氛滲碳時，吸熱式氣體作為載體，而用改變富華氣的流量來調(diào)整爐內(nèi)碳勢。一般載體（稀釋氣）氣體以充滿整個爐腔容積，并使爐內(nèi)氣壓較大氣壓高10mm水柱，使爐內(nèi)廢氣能順利排出，即認為滿足要求。一般每小時所供氣體體積約為爐膛容積的2.5-5倍，即通常所稱的換氣倍數(shù)。富華氣根據(jù)碳勢要求而添加，若用丙烷作為富華氣，在滲碳區(qū)的加入量一般為稀釋氣的千分之一到千分之一點五。2.滲碳溫度和時間在可控氣氛滲碳時，由于氣氛碳勢被控制在一定值，因而滲碳溫度和時間對滲層的影響完全反映在滲層深度及碳濃度分布曲線上。滲碳溫度越高，滲碳時間越長，滲層越深，碳濃度的分布越平緩。滲碳前的預備熱處理在滲碳前為保證心部有一定的強度滿足基體的工作需要和為滲碳作好組織準備，有些滲碳件需進行預備熱處理。在實際生產(chǎn)中常用的處理方法有以下方面。[7]正火——組織為細片狀珠光體+少量鐵素體。調(diào)質(zhì)——淬火+高溫回火組織為均勻回火索氏體和均勻粒狀珠光體。正火+高溫回火——組織為均勻粒狀或細片狀珠光體+少量鐵素體。滲碳后的碳濃度及滲碳層及其組織滲碳層碳濃度及滲碳層的測定。通常零件滲碳后其滲碳層深度的測定可采用金相法。鋼滲碳后的緩冷組織。當零件表面的含碳量高于0.8%時，其組織為二次滲碳體+珠光體；當含碳量大于1.0%時，二次滲碳體將呈明顯的網(wǎng)狀碳化物，由共析層到中心含碳量逐漸降低，表面為珠光體加鐵素體亞共析組織。[7]滲碳后零件的熱處理滲碳熱處理后的組織及性能滲碳后熱處理的目的是提高滲碳層表面的硬度、強度和耐磨性能；提高心部的強度和韌性；細化晶粒；消除網(wǎng)狀的滲碳體和減少殘余奧氏體；消除內(nèi)應力，穩(wěn)定尺寸。正常的滲碳淬火組織為細針狀的馬氏體，低碳鋼與低合金鋼滲碳層淬火表面硬度可達60-64HRC，而高合金鋼滲碳層淬火后的硬度為56-60HRC。滲碳后鋼的耐磨性比普通淬火的中碳合金鋼有明顯的提高，能保證最高耐磨性的組織為細針狀馬氏體或隱晶馬氏體加上細小球狀碳化物和少量均勻分布的殘余奧氏體。實踐表明，滲碳除了能使零件表面硬度和耐磨性提高外，同時能提高剛件在彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷作用下的疲勞強度。滲碳后的幾種熱處理方法滲碳后進行淬火加低溫回火處理，回火溫度一般為160-180攝氏度，保溫時間不低于1.5h，來改善滲碳鋼的強韌性和穩(wěn)定零件的尺寸。滲碳零件經(jīng)過熱處理后，表層的組織應為細針狀的回火馬氏體、均勻分布的細粒狀碳化物以及少量的殘余奧氏體，處理后的表面硬度可達到58-63HRC，其心部組織隨鋼種和零件的形狀及尺寸不同而不同，通常應為低碳馬氏體、極細珠光體或細珠光體，金相組織中不允許存在大塊、多量的游離鐵素體，其硬度范圍為20-45HRC。滲碳層可采用斷口法和金相法進行檢測。

實驗內(nèi)容2.1實驗材料及設備實驗材料本實驗所用材料為東風汽車公司刃量具廠生產(chǎn)的變速箱齒輪坯料，該坯料材質(zhì)為20CrMnTi，沒有進行熱處理。實驗設備本課題主要研究20CrMnTi齒輪滲碳后的組織與性能。首先要將材料在連續(xù)式氣體滲碳生產(chǎn)線上進行滲碳、淬火、回火，然后在金相顯微鏡下觀察組織及滲碳層的厚度，并用磨損試驗機測量摩擦系數(shù)。用到的設備有連續(xù)式氣體滲碳生產(chǎn)線、PC-2G型金相試樣拋光機、XQJ-2B金相鑲樣機、XJP-100型金相顯微鏡、M-2000型摩擦磨損試驗機、電子分析天平、箱式爐以及線切割機。2.2實驗步驟2.2.1線切割為了方便滲碳完成后對材料進行金相組織觀察和摩擦磨損實驗，首先用線切割機編程并將20CrMnTi齒輪切成若干塊30×6×7的小塊。30×6×7是磨損實驗中上模樣塊的標準尺寸。2.2.2滲碳淬火熱處理滲碳所用連續(xù)熱處理爐簡介滲碳實驗在東風汽車公司刃量具廠的連續(xù)式氣體滲碳自動線上進行，這條生產(chǎn)線于今年引進。設備已完成安裝，還沒有進行批量生產(chǎn)，正在調(diào)試過程中。下圖是設備外形及工藝平面布置圖。圖2.1連續(xù)式氣體滲碳自動線圖2.2工藝平面布置圖該設備有如下特點：（1）配獨立加熱室、獨立降溫室—保溫控、碳控準確性；（2）出料輥道與拋丸上料位對接；可在輥道上裝夾工件，也可在輥道外裝夾好后用小車送到輥道上—保物流便捷；（3）加熱爐裝碳化硅導風馬弗—保加熱均勻性；（4）爐頂采用拱形結(jié)構(gòu)，加熱爐和滲碳爐爐壁保溫層增加—保爐膛壽命、保溫性；（5）做雙油槽，一個裝分級油、一個裝快冷油—保工藝柔性；（6）油槽采用雙側(cè)油攪拌，攪拌方向、速度可調(diào)—保冷卻均勻性；（7）配置三氣體分析儀，CO測量值參與碳式調(diào)節(jié)—保碳控準確性；（8）配三工位前、后清洗機—保證產(chǎn)品潔凈度；（9）前、后清洗機內(nèi)膽和管道采用不銹鋼，—可用酸性清洗液；（10）后清洗機增加噴淋噴嘴數(shù)量、清洗槽清洗功能，噴淋壓力≥0.6MPa—保洗凈力好；（11）關鍵元器件如高溫攪拌風機、泵、電機、調(diào)功器、PLC等采用世界名牌—保性能穩(wěn)定；（12）高溫冷卻風扇、高溫推頭、高溫加熱器加熱絲、輻射管等采用高配材料—保性能穩(wěn)定，可930-970℃高溫滲碳。工藝流程后清洗冷水浸泡上料后清洗冷水浸泡上料回火淬火前清洗回火淬火前清洗檢查降溫/檢查降溫/均溫預氧化卸料滲碳/擴散加熱卸料滲碳/擴散加熱圖2.4工藝流程圖圖2.4是工藝流程圖。首先將零件裝盤，送入清洗機中進行清洗，主要是清除零件表面附著的銹斑、油漬、污垢、切削液和研磨膏扥發(fā)，以避免妨礙熱處理的加熱和冷卻，降低介質(zhì)的純度，以及防止淬火后產(chǎn)生硬度不均和軟點等缺陷，影響熱處理的效果。然后料盤進入預氧化爐，預氧化爐將工件加熱到450℃，使工件上粘度較大的殘油氣化和干脂的的漆面燃燒灰化，同時使工件表面有輕微的氧化，起到活化零件表面的作用，同時也是對零件的一個預熱處理過程。預氧化后，料盤進入主體滲碳爐的加熱室，在加熱室，工件首先被加熱到800℃使其奧氏體化，然后被加熱到900℃為后續(xù)滲碳做準備。加熱完成后，零件被送入滲碳室進行滲碳處理。滲碳溫度和碳勢對滲碳速度會產(chǎn)生影響，隨著溫度的上升，碳在鋼中的擴散系數(shù)上升，滲碳速度加快，但滲碳溫度過高會造成晶粒長大，工件畸變增大，使設備壽命降低，所以滲碳溫度一般控制在900-950℃。滲碳介質(zhì)中碳勢越高，滲碳速度就越快，但滲層碳濃度梯度增大，同時，碳勢過高，還會在零件表面發(fā)生積碳。滲碳處理過程可分為三部分：強滲碳I、強滲碳II、擴散處理。滲碳完成后，側(cè)推料機將零件推入淬火降溫室進行零件降溫處理，是零件溫度達到要求的淬火溫度為淬火作好組織準備。降溫完成后，零件被送入淬火室進行淬火處理。淬火油槽在淬火室下部，零件進入淬火室升降料臺，升降料臺迅速降下對零件進行淬火處理，然后零件通過淬火油槽底部推出淬火室，提升料臺將零件提升出油面，隨后零件進入切斜料臺進行濾油處理。濾油后零件進入水槽用冷水浸泡，然后進入清洗室分別用清洗液、清水對零件進行噴淋清洗，再用空氣將零件吹干。吹干后將零件送入回火爐進行低溫回火，回火完成后零件從回火爐出來進入空冷軌道冷卻。最后傳送到卸料臺卸料檢查。完成零件的滲碳淬火熱處理過程。各工序具體參數(shù)如表2.1所示。表2.1各工序具體方案2.2.3金相組織觀察實驗步驟首先在XQJ-2B金相鑲樣機上鑲樣。鑲樣是將式樣嵌入樹脂中，可方便試樣的打磨和拋光，改善制備結(jié)果。鑲樣有兩種方法，分別是熱鑲法和冷鑲法，實驗中采用熱鑲法。需要注意的是，鑲樣前試樣必須清洗干凈，不得帶油污或其他污漬，以保證樹脂對試樣的最佳黏著力。實驗過程中要不斷的壓緊鑲樣機。鑲樣完成后用砂紙對試樣進行打磨?？梢灾苯哟蚰?，也可以在磨光機上打磨。打磨過程需要注意的是應沿著同一個方向打磨，用粗砂紙打磨完成換細砂紙后，要換一個打磨方向，待劃痕完全蓋住上一道劃痕后，再換更細的砂紙打磨。試樣打磨完成后先清洗，然后在拋光機上拋光。拋光完成后清洗試樣，然后用5%硝酸酒精溶液腐蝕。在金相顯微鏡下觀察試樣組織，并作好記錄。2.2.4摩擦磨損實驗摩擦磨損試驗是測定材料抵抗磨損能力的一種材料試驗。通過這種試驗可以比較材料的耐磨性優(yōu)劣。磨損試驗比常規(guī)的材料試驗要復雜。首先需要考慮零部件的具體工作條件并確定磨損形式，然后選定合適的試驗方法，以便使試驗結(jié)果與實際結(jié)果較為吻合。磨損形式有磨料磨損、粘著磨損、接觸疲勞磨損、微動磨損、氣蝕等。然而在實際運轉(zhuǎn)條件下往往不止出現(xiàn)一種磨損形式，例如大功率柴油機軸瓦可能同時出現(xiàn)粘著磨損和氣蝕。與其他試驗相比，磨損試驗受載荷、速度、溫度、周圍介質(zhì)、表面粗糙度、潤滑和偶合材料等因素的影響更大。試驗條件應盡可能與實際條件一致,才能保證試驗結(jié)果的可靠性。實驗所用摩擦磨損試驗機為M2000型，該多功能摩擦磨損試驗機適用于SH/T0190-92液體潤滑劑摩擦系數(shù)測定法、GB12444.1-90金屬磨損試驗方法及GB3960-83塑料滑動摩擦磨損試驗方法，可做各種金屬材料及非金屬材料（尼龍、塑料等）在滑動摩擦、滾動摩擦、滾動滑動復合摩擦和間歇接觸摩擦各種狀態(tài)下的耐磨性能試驗，并可模擬各種材料在不同的摩擦條件下進行濕摩擦、干摩擦以及磨料磨損等多種試驗，可測定各種材料的摩擦系數(shù)。經(jīng)改造后該摩擦磨損試驗機具有計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可時實顯示試驗力、摩擦力矩、摩擦系數(shù)、試驗時間等參數(shù)，并可記錄試驗過程中摩擦系數(shù)-時間等多種試驗曲線。由于該機功能多，結(jié)構(gòu)簡單可靠，使用方便，且在該機型上建立了多個標準試驗方法，且在國外使用較多，所以在國內(nèi)外摩擦學研究領域有非常廣泛的應用?？紤]到齒輪傳動中主要的磨擦形式為嚙合齒面間的相對滑動造成的滑動摩擦，因此實驗選用滑動摩擦。查閱相關資料后，對磨樣材料選用T10鋼，并進行熱處理。實驗參數(shù)設定如下表所示：表2.1摩擦磨損實驗參數(shù)試驗形式試驗條件力矩測程下試樣轉(zhuǎn)速測量時間壓力載荷滑動摩擦干式0-5N*m195n/min60min100N其中，在試驗條件的選擇上，由于試樣滲碳后進行了低溫回火，考慮到磨損試驗會令試樣溫度升高，組織有可能發(fā)生變化，理論上應該進行濕磨。但根據(jù)[]，在低速和輕載條件下，干滑動摩擦表面溫度較低。且濕磨后潤滑油如果沒有清洗干凈還會對試樣的重量產(chǎn)生影響，從而影響到計算結(jié)果。綜合考慮下，選擇干磨。實驗結(jié)果與分析3.1金相分析圖3.1芯部組織400×圖3.1是放大400倍后芯部纖維組織。由于碳原子沒有滲入芯部，芯部仍然為原始低碳鋼組織。從上圖可以看出，經(jīng)過淬火并低溫回火后，芯部組織為低碳回火馬氏體+鐵素體。其中，馬氏體為板條狀。圖3.2滲層組織400×圖3.2是放大400倍后表層金相組織。經(jīng)過滲碳后，表層含碳量可達1%左右[5]。由上圖可以看出，經(jīng)過淬火并低溫回火后，表層組織為回火馬氏體+碳化物+殘余奧氏體。研究表明，滲碳層中存在適量殘余奧氏體，對滲碳工件的性能有利。滲碳層中殘余奧氏體的存在，不一定減小有利的表面殘余壓應力。殘余奧氏體較軟，塑性較高，可以馳豫局部應力，因而對微觀區(qū)域的塑性變形有一定的緩沖作用。一般認為滲碳層中的殘余奧氏體含量可以提高到20%-25%。圖3.3測量滲碳層厚度40×圖3.3是在金相顯微鏡下放大40倍后的組織形態(tài)。從圖中可以清晰的看出滲碳層組織和芯部組織有明顯的區(qū)別，且滲碳層均勻，各面厚度基本一致。通過軟件測量出的滲碳層厚度大致在1毫米到1.2毫米之間。圖3.4磨損試驗后金相組織100×圖3.5磨損試驗后金相組織400×圖3.4是磨損試驗后試樣的金相組織?？梢钥闯觯捎谀Σ翆嶒炛芯植慨a(chǎn)生了高溫，相當于對試樣進行了高溫回火。磨痕附近局部區(qū)域組織發(fā)黑，經(jīng)分析為回火屈氏體。3.2硬度分析表2.2是用顯微硬度計測得的試樣表層和芯部的硬度值。結(jié)果表明，芯部的硬度值在31HRC-42HRC之間，表層硬度值在58HRC-64HRC之間。20CrMnTi齒輪在滲碳熱處理后，表層硬度值有了大幅提升，耐磨性能也因此得到了提高，而芯部較軟，保留了良好的韌性和塑性。表2.2硬度值滲層芯部維氏硬度HV換算為洛氏硬度HRC維氏硬度HV換算為洛氏硬度HRC671.658.8314.331.5776.863.0350.335.5784.063.5389.741.73.3磨擦性能分析表3.3上磨樣和對磨樣重量上磨樣重量/g對磨樣重量/g實驗前8.711982.1752實驗后8.707682.1096表3.3是磨損實驗前后分別用電子分析天平測得的上磨樣和對磨樣重量，下式中W表示上磨樣的質(zhì)量變化，W'表示對磨樣的質(zhì)量變化W=W0-W1=8.7119-8.7076=0.0043gW'=W0'-W1'=82.1752-82.1096=0.0656g經(jīng)過計算后可以看出，上磨樣的磨損量比對磨樣小的多，但都不大。表3.4實驗結(jié)果力矩最大值/N*m力矩平均值/N*m平均摩擦系數(shù)摩擦功0.960.420.2135874.59表3.4是實驗過程中由計算機軟件測出的實驗數(shù)據(jù)。其中，平均摩擦系數(shù)的計算公式如下：μ=TRT—力矩，R—對磨樣半徑，P-載荷。圖3.6T10/滲碳低回20CrMnTi力矩和摩擦系數(shù)圖3.6是T10/滲碳低回20CrMnTi鋼摩擦副在轉(zhuǎn)速195rpm，載荷100N干摩擦60min條件下，力矩和摩擦系數(shù)隨時間變化圖。實驗采樣了47000個點，上圖只顯示了32000個點，但足以看出變化趨勢?？梢钥闯?，實驗開始時，隨時間的變化，力矩和摩擦系數(shù)上下波動很大，沒有規(guī)律。在采樣點數(shù)約為第3500個點時，摩擦力矩和摩擦系數(shù)達到最大值，然后快速下降后又經(jīng)過一個爬升階段后迅速趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定之前呈現(xiàn)波動上升的這一階段就是磨合階段，這一階段，摩擦系數(shù)隨滑動時間的增加而增大。在采樣點數(shù)約為8200個點時，力矩和摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后摩擦系數(shù)和力矩值在平均值附近波動，分別為0.42N*m和0.21。結(jié)論本文通過對20CrMnTi齒輪坯料進行滲碳、淬火、低溫回火，并觀察金相組織，測量滲碳層厚度以及測定摩擦系數(shù)，得出以下結(jié)論：1）熱處理后組織：表層為回火馬氏體+析出碳化物+殘余奧氏體，芯部為回火馬氏體+鐵素體。其中，表層殘余奧氏體量適中，對齒輪性能的提高有積極作用，鐵素體含量不多，芯部有足夠的塑性和韌性。2）滲碳層厚度為1-1.2mm，滲碳層均勻。3）表層硬度值在58-64HRC之間，芯部硬度在31-42HRC之間，滿足齒輪對表層和芯部硬度值的要求。4）平均摩擦系數(shù)為0.21，力矩最大值為0.96，磨擦性能良好。綜上所述，按照設定的工藝參數(shù)對20CrMnTi齒輪進行熱處理，能顯著改善齒輪的顯微組織和機械性能，其表層硬度和耐磨性能提高的同時，使芯部保留了良好的塑