氮-甲醇气氛渗碳中非马氏体组织的形成和预防- .pdf

I 盔I 盟 丝 里 栏 目 主 持李 辟 翔 薯 蕊 囊 氮一 甲醇气氛渗碳中非马氏体 组织的形成和预 防 西安法士特汽车传动有限责任公司 陕西7 1 0 0 6 1 张茂国李新斌 0 摘要 采用8 6 2 0 H 钢材样件 在不同 条件下进行渗碳淬火处理 通过对获得的非马氏体组织厚度进行 对 比 分析讨论 了非马氏体的主要影响因素及预防措施 长期以来 渗碳淬火件表层的非马氏体组织一直是 难以解决的惯性质量问题 这种连续或不连续的网状或 块状黑色组织 已被公认为是由于内氧化而导致基体中 合金元素在晶界附近偏聚析出 合金元素贫化致使局部 淬透性下降 从而形成的托氏体类组织 这种组织的产 生引起的后果是降低了表面硬度 耐磨性及抗疲劳性能 特别是弯曲疲劳强度 资料表明 当表面非马氏体组织 的厚度在4 0 m以上时 弯曲疲劳强度可降低 5 0 因 此针对此问题应当给予重视 内氧化的发生主要是由于渗碳气氛中的氧渗人到零 件表面 与零件表面的合金元素如 S i M n C r T i 等 这些合金元素与氧的亲和力较强 发生反应 形成氧 化物所造成的 一般把晶内氧化和晶界氧化统称为内氧 化 内氧化的程度一方面取决于渗碳材料中的合金元素 另一方面取决于渗碳气氛及渗碳条件 许多文献研究表 明 使用含 N i Mo 元素的渗碳钢可大大减轻内氧化程 度 原因是 N i Mo的氧化倾向较小且能强烈增加钢的 淬透性 现 已知道 提高渗碳剂 载气等原料的纯度 改善炉子的密封性等也可有效减缓内氧化的产生 本文通过测定8 6 2 0 H钢材样件在不同条件下渗碳淬 火后的内氧化层深度 找出氮一 甲醇气氛渗碳中非马氏体 组织的主要影响因素 确定内氧化产生的主要阶段 并 分析减轻非马氏体组织危害的可行方法 1 试验条件及方法 渗碳淬火设备采用爱协林 A I C H E L I N 5 2 型多用 炉 炉内气氛的碳势控制由计算机实时控制系统来实现 圈 至笪 塑 垫 塑 堕 WWW m e t a wo r Ic i ng1 9 50 com 参曷 工热 加 工 淬火油采用上海好富顿 G油 渗碳载气为氮气加甲醇混 合气体 富化气为丙酮 8 6 2 0 H样件化学成分如表 1所 示 为减少合金元素含量的差异对试验数据的影响 样 件取材 自同一批材质坯料 表 1 选用样件化学成分 质量分数 C Mn Cr Ni M0 S P O 2 1 O 2 5 0 7 7 0 4 7 O 6 0 O 1 8 0 0l5 0 0 2 l 试验中产生的黑色组织由样件表面向内延伸 采用 日立 s 一2 7 0 0型扫描电镜观察其形貌 见图 1 对图 1 中标出的4点进行能谱分析 分析结果见图 2 表明黑 色组织为 c r S i Mn的氧化物 图 l样件在9 2 0 强渗4 5 h 后直接 淬火非马 齿根部 形貌 试验前对设备密封性 淬火油冷却性能 渗碳辅料 氮气 氨气 甲醇和丙酮 进行检验均合格 样件渗 碳出炉后先切样抛光 采用浅腐蚀方法通过奥林 巴斯 G X 7 1 型金相显微镜在4 0 0倍下观测非马氏体组织厚度 腐蚀液为浓度2 4 的硝酸酒精 不同渗碳淬火条件 下得到的试验结果列于表2 图2 采用扫描电镜对黑色组织进行分析 图1 中A点 表 2不同渗碳淬火条件下的非马氏体组织的厚度 试验 试验结 果 试验条件 备注 目的 9 2 0 1 2 0 C N2 CH3 OH 质 量 分 数 强 渗 正常条件 O O 1 9 8 0 4 0 5 0 45 h后降温到 8 3 C 淬火 快速搅拌 后期氨气 0 4 0 m h 渗碳所用 全 程 只 通 氮 气 由于碳浓度偏低 辅料是否 0 0 2 7 2 3 甲醇 后期有脱碳现象 达到要求 氮气 甲 3 O 2 5 O o 2 7 2 3 醇流量 3 0 4 0 0 0 2 4 7 5 其他同正常条件 I l l h 比 4 O 5 O 0 01 9 8 0 渗碳后期不通氨气 0 0 2 7 2 3 后期 流量 减小 为 0 0 2 2 2 7 0 2 5 m h 氨气 的 后期 流量减 小 为 其他同正常条件 影响 0 0 2 2 2 7 0 1 5 m h 后期 流量加 大 为 0 0 l9 8 0 0 5 0 m h 慢速搅拌 8 0 0 r m i n 0 0 2 7 2 3 油搅拌能 快速搅拌 1 5 0 0 r mi n 0 0 l9 8 0 其 他同正常 条件 力的影响 减小油槽 容 积约 O 0l7 3 2 1 3 快速搅拌 提 高程序 起 始碳 O 01 7 3 2 势和后期碳势 其 他同正 常条件 验证内氧 强渗后直接淬火 0 0 2 2 2 7 化过程 在升 温排 气 阶段 发生时期 加 大丙 酮 量 缩 短 0 0 1 7 3 2 其他 同正常条件 排气时间 淬火温度 提高 淬火 温度 为 0 0 1 9 8 0 其他同正常条件 的影响 8 4 5 批 I 垫丝堡 2 分析讨论 由表2中可知 在正常条件下获得的非马氏体组织 厚度为0 0 1 9 8 0 m m 其他条件不变 当后期氨气流量增 大至 0 5 0 m h时结果没有变化 当减小时非马氏体厚度 增加 不通氨气时非马氏体层达到 0 0 2 7 2 3 m m 原因是 氨在较高温度下分解出的活性氮原子 被零件表面吸收 后向内扩散 一定程度上阻止了合金元素的氧化析出 提高了淬透性 从而减少了非马氏体组织的产生 可以看出 当氮 甲醇流量 比由 3 0 2 5提高为 4 0 5 0 时 非马氏体厚度逐渐减小 这说明加大炉内气 氛置换量可减小内氧化程度 关于油槽搅拌能力的影响 结果表明 当油槽搅拌 能力增强时 内氧化程度明显降低 从慢速搅拌时的 0 0 2 7 2 3 m m下降到 0 0 1 7 3 2 m m 从表中知道 当提高程序开始碳势和后期碳势时所 得到的结果是 0 0 1 7 3 2 m m 而全程只通氮气和甲醇时 由于炉内达不到高碳浓度 表面存在脱碳现象 得到的 非马氏体层厚度为 0 0 2 7 2 3 m m 这说明炉内碳势过低时 内氧化程度加重 根据 S i e v e r l定律 炉内有碳势就有氧 势 就有一定的氧分压 当碳势低时 氧势就升高 在 钢的表面到内部形成氧的浓度梯度而发生氧的扩散 从 而加速内氧化过程 在零件入炉后升温排气阶段加大丙 酮量 提高碳势 缩短排气时问也有利于减轻内氧化程 度 但其作用效果不是太好 而且由于温度较低 会造 成炉内大量积存碳黑 强渗后直接淬火得到的非马氏体 层厚度为0 0 2 2 2 7 m m 说明内氧化过程主要发生在渗碳 保温期 而且随着保温时间的延长而不断增加 另外 提高淬火温度也可在一定程度上减轻 内氧化 但残余奥 氏体量相对有所增加 3 结语 1 采用高碳势 降低渗碳气氛中的氧分压 则钢 件表面至内部氧浓度梯度降低 有助于减轻内氧化程度 2 升温排气阶段加大丙酮量 增加碳势 缩短排 气时间也有利于减少非马氏体组织的产生 3 渗碳后期通人一定量的氨气提高表