特殊熱處理真空滲碳

特殊熱處理真空滲碳第1頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日真空滲碳原理滲碳氣的分解高純天然氣（CH4）或丙烷直接通入爐內(nèi)。CH4=C+2H2-45.2kJC3H8=C2H4+

CH4吸收階段擴散階段2第2頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日滲碳氣的分解過程甲烷的具體反應(yīng)過程：CH4=CH3+HCH4+CH3=C2H6+HC2H6=C2H4+

H2C2H4=C2H2+

H2C2H2=2[C]

+

H2

催化劑的作用：鐵和鋼的表面對甲烷分解起了良好的催化作用。CH4=[C]

+

2H21000℃以上分解較完全。3第3頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日滲碳氣的吸收階段化學(xué)反應(yīng)在表層生成滲碳體：3Fe+CH4=Fe3C+2H2薄層滲碳體分解出原子并向內(nèi)部擴散；滲碳氣分解產(chǎn)生的活性碳原子吸附在鋼表面并融入奧氏體內(nèi)；化學(xué)熱處理的過程：表面凈化過程吸附反應(yīng)過程吸收擴散形成滲層4第4頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日滲碳過程的擴散階段滲碳氣中的碳濃度與奧氏體中飽和溶解度相等，則：dT=802.6t1/2/10（6700/T）=25.4Kt1/2dT總滲碳深度，mmt-滲碳時間，hT-滲碳溫度，℉+460K-滲碳速度系數(shù)。滲碳溫度提高，滲碳效率大大提高。滲碳溫度、時間與總滲碳深度的關(guān)系曲線5第5頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日真空滲碳工藝零件的清洗零件的放置升溫及均熱均熱目的均熱時間的確定滲碳期及擴散期6第6頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日滲碳期及擴散期滲碳劑滲碳溫度滲碳方式滲碳氣的流量與滲碳壓力滲碳時間滲碳期與擴散期時間的確定脈沖滲碳方式的脈沖周期和次數(shù)的確定滲碳后熱處理7第7頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日滲碳溫度的確定滲碳溫度的適用范圍溫度范圍零件形狀特點滲碳層深度零件類別滲碳氣體1040較簡單，外形要求不高深凸輪、軸齒輪CH4C3H8+N2980一般一般C3H8C3H8+N2980以下形狀復(fù)雜，變形要求嚴，滲層要求均勻較淺柴油機噴嘴等C3H8C3H8+N28第8頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日真空滲碳工藝流程幾種真空滲碳工藝流程9第9頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日時間的確定滲碳時間T滲碳期時間:Tc=T×[(C1-C0)/(C2-C0)]2Tc滲碳時間，hC1滲碳后的表面濃度（技術(shù)要求)C2滲碳結(jié)束后表面碳濃度（滲碳溫度下奧氏體最大碳溶解度）C0原材料的含碳量10第10頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日電動機齒輪的真空滲碳20CrMo電機齒輪的形狀電機齒輪在料筐的堆放方式1-料筐，2-齒輪，3-墊圈，4-螺母，5-螺栓11第11頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日滲碳層的分布材料：20CrMo滲層深度：0.38mm及0.64mm硬度58±3HRC帶花鍵的內(nèi)孔要求防滲丙烷加氮氣脈沖式滲碳，充氣至2.66×10-4Pa，脈沖時間5min。12第12頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日齒輪真空滲碳后的金相組織齒輪（0.38mm滲層）真空滲碳后金相組織照片（×400）a）齒頂處b)齒工作面c）心部13第13頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日齒輪真空滲碳后的金相組織齒輪（0.64mm滲層）真空滲碳后金相組織照片（×400）a）齒頂處b)齒工作面c）心部14第14頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日電動機齒輪滲碳層金相滲碳后表面金相組織照片a）真空滲碳（×130)b)滴注法氣體滲碳（×600）15第15頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日電動機齒輪滲碳層成分分析被氧化晶界處的探針分析a）O掃描分析b)Mn掃描分析c）Cr掃描分析16第16頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日閥門電動裝置零件真空滲碳后的閥門電動裝置閥門電動裝置零件的真空滲碳工藝17第17頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日蝸桿內(nèi)漸開線花鍵孔真空滲碳氣體滲碳后內(nèi)漸開線花鍵孔的金相組織（退火）25×真空滲碳后內(nèi)漸開線花鍵孔的金相組織（退火）25×18第18頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日真空滲氮第19頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日概述真空滲氮技術(shù)是利用真空加熱時工件表面清潔無氧化等特點，采用真空熱處理在負壓下進行滲氮；滲氮后工件表面硬度高，脆性小，滲氮層均勻能滿足尖銳刃口刀具與冷沖模的技術(shù)要求。真空滲氮時,將真空爐排氣至較高真空度(1×10-1Pa),然后將真空爐內(nèi)工件升至(530～560)℃,同時送入以氨氣為主的,含有活性物質(zhì)的多種復(fù)合氣體,并對各種氣體的送入量進行精確控制,爐壓控制在665Pa,保溫(3～5)h后實施爐內(nèi)惰性氣體的快速冷卻。根據(jù)不同的材質(zhì),經(jīng)此處理后可得到(20～80)μm硬度為(600～1500)HV的硬化層。20第20頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日真空脈沖滲氮影響因素滲氮溫度：真空滲氮溫度過高，合金化合物粗大，滲氮溫度過低，滲層淺，合金化合物少，硬度低；爐壓：爐壓上限越高，滲層的深度和硬度也好真空度越高，硬度和滲層的厚度較好；氮化時間：時間增加，硬度增加，且有化合物層出現(xiàn)硬度增加越明顯，滲層也加深。脈沖時間過長，滲層變薄，排出氣不能充分燃燒，時間過短，表面脆性大氨氣流量：流量越多硬度越高，滲層加深21第21頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日4Cr5MnSiV1鋼熱擠壓模真空滲氮工藝真空滲氮是在低壓狀態(tài)下產(chǎn)生活性氮原子滲入并向鋼中擴散而實現(xiàn)硬化的“真空排氣式氮碳共滲”處理；一般滲氮溫度為530~560℃，保溫時間3~5h低溫碳氮共滲的滲層厚度只有在開始氮化的前3~4h內(nèi)增加顯著，而后明顯減慢。Q：壓鑄模具工作時,因集中性的急冷急熱,服役條件過嚴,表面易發(fā)生熱沖擊裂紋、熱粘著、熔損、浸蝕等缺陷。對壓鑄型腔模以提高抗熱沖擊性能為主,以防止龜裂發(fā)生;對鑄芯或澆口、頂桿等以提高抗粘著、熔損、浸蝕為主。22第22頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日4Cr5MnSiV1鋼真空滲氮試驗熱處理工藝：1040℃×80min真空淬火+605℃×180min真空回火處理兩次,試樣尺寸：20mm×15mm×6mm；試樣材料：試驗材料4CrMnSiV化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）/%23第23頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日真空滲氮工藝流程真空脈沖滲氮工藝曲線24第24頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日六組試驗結(jié)果4Cr5MoSiV鋼制鋁型材熱擠壓模真空滲氮試驗結(jié)果25第25頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日4Cr5MnSiV1鋼真空滲氮層組織真空滲氮層組織中均無脈狀晶組織存在。通過對氨流量及爐壓的調(diào)控，可以獲得僅有擴散層滲氮層和白亮化合物層/擴散層的滲氮層兩層。真空滲氮層的顯微組織×400a）N2b）N3ab白亮層26第26頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日白亮化合物層的獲得及滲層厚度氨流量的變化：(N1、N2、N3、N6的比對）適當提高氨流量?？山档桶钡姆纸饴?減少工件表面氮氣和氫氣的吸附,從而增大工件表面對活性氮原子的吸收,使?jié)B層的厚度和硬度得到有效提高,同時還通過循環(huán)交替的通入NH3和抽真空來調(diào)控爐內(nèi)的氨量,以得到無化合物層、僅有擴散層的滲層組織(顯微組織圖中的N2),隨著氨流量達到一定值時,工件表面活性氮原子的濃度梯度不斷增大,當超過了其在x—Fe中的溶解度后,就會在表層開始形成白亮氮化物層(顯微組織圖中的N3)。27第27頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日白亮化合物層的獲得及滲層厚度N4前期加大氨流量以增大工件表面的活性氮原子的濃度梯度,強化氮原子不斷由表面向內(nèi)部的擴散,從而可增加擴散層的厚度,而后期又減小了氨流量,可避免表面形成白亮氮化物層,從而獲得較為理想的滲層厚度及表面顯微硬度(N4),相反,試驗N5中前期采用小的氨流量,影響了擴散層厚度的增加,而后期采用大的氨流量,促進了表面形成了白亮氮化物層。28第28頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日滲氮層顯微硬度分布N3(白亮層+擴散層）,N4（僅有擴散層）硬度分布都較為平緩；N4的硬度分布比N3更為平緩，這與N3的試樣表層形成白亮氮化物，造成相鄰的次表層合金元素的貧化，使得最外層的白亮層與次表層的硬度梯度特別陡峭，會影響到熱擠模在熱擠壓過程中所承受的熱疲勞狀態(tài)，產(chǎn)生滲層剝離現(xiàn)象，降低擠壓壽命。有文獻認為，僅有擴散層而無氮化物層（白亮層）的氮化層韌性最好29第29頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日真空滲氮層的性能真空滲氮優(yōu)點之一就是通過對送入含活性物質(zhì)的復(fù)合氣體種類和量的控制可以得到幾乎沒有化合物層(白亮層),而只有擴散層的組織。沒有白亮層的原因據(jù)推測是因為在真空爐排氣至真空度為1×10-1Pa很低的壓力中處理的,最重要的一個是帶有活性物質(zhì)的復(fù)合氣體在短時間內(nèi)向鋼中擴散生成的擴散層組織。這種組織的極大優(yōu)點是耐熱沖擊性、抗龜裂性能優(yōu)異。1000次試驗后斷面裂紋的數(shù)量和長度磨損量與摩擦?xí)r間的關(guān)系30第30頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日真空滲氮熱擠壓模的工作試驗N3試驗?zāi)１韺影琢粱衔锱c次表層的硬度梯度較陡，減弱了兩者間的結(jié)合力，降低了其在熱擠壓過程中的接觸疲勞強度，造成滲層剝落，嚴重影響了擠壓通過量；N4說明僅有擴散層的滲層，其耐磨性還有待進一步的提高；提高僅有擴散層的滲層硬度，適當厚度的白亮層與擴散層的合理結(jié)合，真空滲氮試驗?zāi)D壓通過量31第31頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日4Cr5MoSiV1鋼擠壓模真空滲氮結(jié)果基本上消除滲層中的脈狀晶組織，可通過改變爐壓級氨流量來調(diào)控滲層組織結(jié)構(gòu)，提高滲層質(zhì)量，真空滲氮層的顯微硬度分布較平緩，僅有擴散層的滲層硬度分布更理想；工藝設(shè)備簡單，節(jié)省主原料氨氣用量；真空滲氮的試驗?zāi)Ｍㄟ^考察其擠壓通過量發(fā)現(xiàn)，適當?shù)臐B氮層厚度（0.12~0.15），僅有擴散層的明顯優(yōu)于有白亮層+擴散層的。32第32頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日H13，3Cr2W8V模具鋼真空脈沖滲氮生產(chǎn)滲氮層組織均勻而致密，沒有明顯的孔隙或夾雜，這對材料的耐磨性、耐腐蝕性、耐疲勞性、抗咬合性均有很好的作用。a)H13,b)3Cr2W8V模具鋼真空滲氮層的顯微組織500×ab滲氮層組織分析的結(jié)果33第33頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日H13，3Cr2W8V模具鋼滲氮層顯微結(jié)構(gòu)在真空條件下，氣體具有更多的運動機會，擴散更迅速。在真空脈沖滲氮過程中，采用脈沖送氣和抽氣方式，爐內(nèi)氨氣不斷更新，避免出現(xiàn)滯留氣體，使模具各表面經(jīng)常能與新鮮的氨氣接觸，因而可以得到均勻的滲層。真空脈沖滲氮時，隨著爐氣壓力的降低，由于局部脫氣作用使表面化合物層內(nèi)的孔隙程度減輕或消失，因而形成致密的化合物層。34第34頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日H13，3Cr2W8V模具鋼滲氮層脆性及硬度H13，3Cr2W8V經(jīng)脈沖滲氮后的滲氮層脆性小、化合物層薄、擴散層較厚、硬度較高。爐溫升到滲氮溫度時，一部分氨分子在被模具表面吸附并發(fā)生分解，如2NH3=3H2+2[N]所述；隨后活性氮原子[N]以間隙固熔體形式滲入模具表面。在滲氮保溫時，一方面表層滲氮；另一方面氮向里層擴散，形成一定深度的氮層。兩段滲氮的主要目的是降低滲層白亮層的厚度。H13，3Cr2W8V滲氮層脆性和表面硬度35第35頁，共38頁，2023年，2月20日，星期日模具鋼真空滲氮模具鋼經(jīng)真空脈沖滲氮后，可獲得化合物層薄、無明顯疏松、脆性小的滲氮層。滲氮層脆性小是真空脈沖滲氮特點，因而可大大提高壓鑄模、冷沖模