凿岩钎具钎尾的热处理

1 目 录 前言 .2 凿岩钎具钎尾的热处理工艺探索 . 3 1、钎尾的工作环境和失效形式分析 .4 1.1 钎尾断裂 .4 1.2 尾部端面破损 .4 1.3 螺纹磨损 .4 1.4 钎耳破断 .4 2、钎尾的服役条件 .4 3、钎尾的材料及合金元素的作用 .5 4、 En40B 常用钎尾的热处理工艺分析 .6 4.1 去应力 退火 .6 4.2 渗碳 +直接淬火 .7 4.2.1 渗碳 .7 4.2.2 直接淬火 .12 4.2.3 渗碳空淬后常见的缺陷及对策 .13 4.3 低温 回火 . 16 4.4 时效处理 . 16 5、 En40B 常用钎尾的新的热处理工艺 .17 5.1 渗碳 .17 5.2 等温淬火 .17 结 论 .19 参考文献 .21 2 凿岩钎具钎尾的热处理工艺探索 陈 梅 摘要 ：本文通过对钎具钎尾的工作环境、失效形式及钎尾用钢中所含的元素的种类和含量的分析；对凿岩钎具 中 材料为 En40B 的钎尾的热处理工艺进行分析探索；研究了钎尾在实际使用中的性能要 求、实际生产中设备的先进性、金相组织、硬度实验；提出了针对 En40B 钎尾的热处理工艺中所涉及的问题；采用了对钎尾在工艺过程中各工序的温度高低、保温时间长短和可控气氛多用炉中碳浓度的高低的比较及所产生缺陷的分析 ，从而进一步提出了关于 凿岩钎具钎尾的新的热处理工艺：渗碳 高温回火 等温淬火 低温回火 ；解决了 En40B 钎尾的热处理工艺参数选定原因和公司工艺中常存在的缺陷问题 ；达到了对 En40B 钎尾热处理工艺的理解 ,以及利用新工艺提高钎尾的使用性能的目的 。 关键词 ：材料、钎尾、热处理 前言 ： 无论是各种矿产资源的开 采、铁路、公路、水利、水电等能源交通的建设，还是地质、建筑等部门，都离不开钻爆作业，离不开使用凿岩钎具。 钎具见 图 1 图 1 钎具 3 钎 具（ rockdrill tools）是凿岩爆破中必不可少的工具。它是用钎钢和其他材料（如硬质合金）制造而成的钻凿岩石用的工具。它主要包含四大类 部件 ，即钎杆或称钎子杆（ rad），钎头或钻头（ bit），连接套筒或称套筒（ coupling）与钎尾（ shark adaptor）。 由于公司对钎具的热处理设备是国产的可控气氛箱式多用炉， 多用炉只有前室和后室，前室属于预热区，后室主要 进行加热和渗碳 。 炉内的气氛 的 调节 仍需要人工控制 ，多用炉的一些性能（如炉内实际的气氛、温度的均匀性）还有些不稳定。虽然公司主 要生产钎具，但是只有钎尾和连接套筒是利用公司的热处理的设备进行 处理的 。连接套筒在实际工作中的损害很小，一般需要的量很少 ， 公司 主要是对钎尾的热处理。钎尾是整个凿岩设备的主要消耗工具之一，它的种类很多，材料在公司也有三种，考虑到对工艺探索的具体性，故 我 选择 对公司里 材料为 En40B 的常用钎尾 的热处理工艺 进行分析 。经过分析了公司的工艺 参数 的取得 原因 和存在的一些缺陷，自己又设定一个新工艺，弥补了原 来工艺的 一些 不足 之处 ，使钎尾的使用性能更好地被利用，使用寿命有所延长。 凿岩钎具钎尾的热处理工艺探索 : 作为现代化配套的钎具，钎尾是随着凿岩工艺和凿岩条件的发展而生产的。在凿岩工艺方面，当从浅孔钻凿发展到中、深孔钻凿时，由于工作截面的限制，若要获取较深的岩孔，就必须在钎杆同一轴线上，采用连接筒连续地连接多支钎杆进行钻凿。这种凿岩工艺所使用的尾钎杆，就是作为钎尾发展的雏形。 在凿岩条件方面，随着高频率、大功率全液压凿岩设备迅速发展，配套的钎具中的钎杆为传递凿岩机所给予的高频率、大能量的冲击功，导致凿岩机与钎杆 配合部位的集几何结构更为复杂，连接配合技术要求也越来越严格。很显然，凿岩工艺及条件的改变，提高了对尾钎杆的配合和制造技术的要求。这样，全机械加工、高精度成型的各种各样结构的钎尾就相应产生了。最终，发展为现代凿岩配套钎具中不可缺少的重要配套件。 1、钎尾的工作环境和失效 形式 分析 钎尾是凿岩机的易损件之一。钎尾是螺纹连接凿岩钎具的重要组成部分，在工作时直接承受凿岩机高频冲击和强力扭转，将凿岩机活塞运动的冲击功从钎尾尾端传递到钎杆和钎头，进行凿岩作业，同时在凿岩机转动套的带动下传递扭矩，使整个钎具 的 系统转动。钎尾 内孔还受到快速流水的冲刷和矿水的腐蚀。工作环境的恶劣和承受载荷的复杂性，对钎尾的使用性能提出了更高要求。 钎尾是将活塞的冲击能量传递给钎杆、钎头，达到破碎岩石作用 ，在使用时钎尾破坏形式主要是钎尾断裂、尾部端面破损、螺纹磨损 、钎耳破断等几种失效形式。 4 1.1 钎尾断裂 螺纹钎具凿岩作业是钎尾不可避免的承受冲击、扭转、弯曲等方面作用，容易引起断裂。断裂是钎尾在工作过程中经常发生的疲劳破坏，发生在钎尾注水口处。另外，钎尾在煤矿井下腐蚀介质中，也很容易在注水口处产生腐蚀坑，在冲击载荷作用下，腐蚀坑 中产生应力 集中并发展成疲劳裂纹，在腐蚀与疲劳应力共同作用下，裂纹扩展直到断裂。 1.2 尾部端面损坏 钎尾尾部端面直 接承受凿岩机活塞的冲击接触，端面剥落是常见的损坏方式。大多数钎尾 使用后在尾部端面出现较小的浅层剥落，肉眼看上去是比较浅的“小坑”，这种剥落对使用影响不大；比较严重的大块深层剥落与活塞的接触状况恶化，甚至造成活塞损坏，给用户造成经济损失。这种大块的深层剥落是由于表面产生了与端面相垂直的裂纹造成的。主要由于钎尾在热处理过程中产生局部过热或过烧、淬火裂纹或内应力过大引起的。 1.3 螺纹磨损 钎尾在钻凿过程中 ，其外螺纹与连接套筒的内螺纹进行连接配合，在使用承受着冲击、扭转、弯曲等几方面作用，螺纹由于硬度不够易于磨损。 1.4 钎耳破断 钎尾的钎耳与凿 岩机内套的花键配合，主要承受扭转应力的作用。在凿岩过程中，轴向拉 压应力、扭转应力通过钎耳促使 钎具产生旋转，将冲击功传递给钎头，达到破碎岩石的作用。因此，钎尾的钎耳 能 承受的交变应力是很大的，在此处经常产生断齿现象。钎耳破断以后，凿岩机的扭转应力无法传递给钎具而告失效。 2、 钎尾的服役 条件 根据钎尾的工作环境和失效形式的分析，钎尾应具有足够的强度 和韧性，高的表面强度和耐 磨性以及高的疲劳抗力和一定的耐腐蚀性 能，心部具有良好的韧性；能够承受凿岩机高频冲击和强力扭转；抵抗 流水的冲刷和矿水的腐蚀。 3、钎尾的材料及合金元素的作用 钎尾的材料有许多种，现就我所在的公司的材料进行分析，公司因是外资企业，所用的钎尾的材料牌号均为英国牌号；即： En27B、 En30B、 En40B，它们均属于合金结构钢。见表 1。 5 表 1 En27B、 En30B、 En40B 的化学成分及其质量分数 （ %） 材料 C Si Mn P S Cr Mo Ni 其他 En27B 0.270.35 0.150.35 0.450.70 0.040 0.050 0.901.20 0.250.35 2.753.25 En30B 0.260.34 0.150.35 0.4520.75 0.040 0.050 1.101.40 0.200.35 3.904.30 En40B 0.200.28 0.150.35 0.450.70 0.02 0.025 3.003.50 0.450.65 V0.15 各种元素对合金结构钢的性能的影响 : 碳（ C） 在钢中随着 其质量分 数的增加，可提高钢的强度和硬度，但降低塑性和韧性。碳 与钢中某些合金元素化合形成各种碳化物，对钢的性能产生不同的影响。 以上三种材料根据钎尾的服役 条件，三者均需要渗碳，增加含碳量。 硅（ Si） 提高钢的强度和回火稳定性，特别是经淬火、回火后能提高钢的屈服极限和弹性极限。含硅量高的钢，其磁性和电阻均明显提高，但 Si 有促进石墨化倾向。三种材料很好的利用了硅在 钢 中 的优点 。 锰（ Mn） 提高钢的强度和显著提高钢的淬透性，能消深和减少硫对钢 能 产生的热脆性，含锰量高的钢，经冷加工或冲击后具有高的耐磨性，但有促使钢的晶粒长大 和增加第二类回火脆性的倾向。 锰的含量较高，正好使钎尾经过冷加工或冲击后具有高的耐磨性。 磷（ P） 增加钢中的非金属夹杂物，使钢的强度和塑性降低，特别是在低温时更严重（冷脆性），但稍高的含磷量能改善低碳钢的切 削加工性。三种钢的含磷量都较低，磷对钢性能的影响也 较小 ，尤其是 对 En40B 材料的合金结构钢影响更小。 硫（ S） 增加钢中的非金属夹杂物，使钢的强度降低，在热加工时，容易产生脆性（热脆性），但稍高的含硫量能改善低碳钢的切削加工性。 硫在这三种钢的含量也较低，影响和磷 的影响 一样都较小 ， En40B 硫含量不到 0.025 ，影响不大。 铬（ Cr） 提高钢的强度、淬透性和 起到 细化晶粒，提高韧性和耐磨性的作用，但存 6 在第二类回火脆性的倾向。含铬量高的钢，能增大抗腐蚀 （ 性的 ）能力， 铬 与镍元素等配合能提高抗氧化性和 热强性，并进一步提高抗腐蚀性。 三种钢的含铬量都较多，特别是En40B 含铬量达 3.00 3.50，其抗腐蚀的能力增加，韧性也增加。 镍（ Ni） 提高钢的强度，而对塑性和韧性影响不大，含量高时与铬配合能显著提高钢的耐腐蚀性和耐热性。 En27、 En30B 的含镍量都很高，刚 好与铬配合达到了提高钢的耐腐蚀性和耐热性 之目的 ， En40B 材料就 没有这种效果。 钼（ Mo） 提高钢的热硬性和耐磨性，有阻碍钢晶粒长大和防止 回火脆性的作用，也能提高回火稳定性，还能提高钢的淬透性。 它对三种钢的影响差不多，对 En40B 的影响大些。 钒 （ V） 能细化晶粒，提高钢的强度和韧性，提高钢的耐磨性和热硬性以及回火稳定性。 它只存在于 En40B 中，它 弥补了 En40B 中不含镍的不足。 由于三种材料的含合金元素的种类和数量差不多， 它们的热处理工艺几乎相同。 4、 En40B 常用钎尾的热处理工艺分析 En27、 En30B、 En40B 三种材料都能满足钎尾的使用性能，三者 由于所含元素相近，热处理工艺差不多，仅在渗碳时间长短、碳势高低和回火温度、时间上 有些差异。为了工艺分析的全面，现针对 公司里的 材料为 En40B 长度为 550mm 的常用钎尾 进行热处理工艺分析 。 其工艺流程为：锻造坯料 去应 力退火 机械加工 渗碳 直接淬火 低温回火 校直 时效处理 抛丸 精磨。 4.1 去应力退火 坯料经锻造后，为消除锻 件中的残余应力，钎尾的预先热处理采用去应力退火， 去应力退火在箱式电阻炉中进行。将坯料 缓慢加热到 600 650之间，保温 4 6 小时，然后随炉冷却到室温。退火除了能 消除残余应力外，还 大幅度降低强度和硬度，细化晶粒，均匀成分，使其硬度达到 HRC21 27 范围，便于机械加工，并为以后的最终热处理作好准备。 4.2 渗碳 +直接淬火 4.2.1 渗碳 因为材料为 En40B 的合金结构钢属于低碳合金钢，为了 满足 钎尾的表面具有高的强度、硬度和耐磨性，钎尾的心部有很好的韧性，可 采取渗碳工艺。 渗碳工艺属于化学热处理的一种，化学热处理是把钢制工件放置于某种化学介质中，通过加热和保温，使化学介质中某些元素渗入到工件表层，从而改变表层的化学成分，使心部与表层具有不同的组织与力学性能。 7 化学热处理有许多种，而 我们公司只选择渗碳工艺的化学热处理而不选择其他的原因有很多。 比 如选择渗碳而不选择渗氮原因就有两大方面：一方面，从工艺过程和处理后的性能来说，材料为 En40B 的钢中碳的质量分数为 0.20 0.28，大部分属于低碳钢，为了达到钎尾的使用性能一般是渗碳，而渗氮工艺多数是对中、高碳钢而言的 ；渗碳的温度是930 10，而渗氮的工艺温度只为 520 10，在渗碳工艺温度下钢 被加热 处于单一的奥氏体区，其组织转变容易进行；渗碳的时间为 3 9 小时，而渗氮时间要为 20 50 小时，渗氮的生产周期较长，使生产效率大大降低；虽然 渗氮后钎尾表面具有高硬度、高耐磨性和耐腐蚀性，渗碳后钎尾只具有高硬度、高耐磨性，但是我们使用的钎尾的材料 En40B 中含有大量的铬元素，铬的质量分数为 3.00 3.50，含铬高的钢 ， 其抗腐蚀性大大增加，材料 En40B 中所含的合金元素间接使它的抗腐蚀性增加，如钼；渗碳的钎尾能承受较大的冲击力，而渗氮后的钎尾所能承受的冲击较小，对于凿岩机上的钎尾来说本身就要承受很大的冲击；从这个方面考虑选择渗碳工艺较好。另一方面， 从公司现有的热处理设备来考虑，公司拥有的热处理设备为国产的可控气氛箱式多用炉，一些控制程序不够准确 ，控制系统也不太灵活，炉内的气氛要靠人工调节控制， 对于其他的化学热处理来说热处理设备要求都较高，公司的设备最好是进行渗碳工艺。由以上两方面，钎尾的化学热处理因此选择渗碳工艺。 渗碳是把低碳合金钢制的钎尾 放 置于富 含 碳 原子 的活性介质中，加热到 850 950，保温数小时，使渗碳介质在工件表面上产生活性碳原子，经过表面吸收和扩散而渗入工件的表层，从而使表层的含碳量达到 0.8 以上的热处理工艺。 渗碳前，应对钎尾的尺寸精度和表面状况进行检验，形状尺寸必须符合图纸要求，渗碳部位的尺寸应留有适当的磨削加工余量。渗碳部位 的表面必须洁净，不能有氧化皮、锈斑、油污，以免造成渗碳不均匀和淬火后出现软点等缺陷。在渗碳表面不能有裂纹、深的刀痕、划伤或碰伤的明显痕迹。表面上的裂纹、深的刀痕或划痕，在淬火过程中或磨削过程中，都会产生应力集中现象，形成裂纹源 ，而使渗碳表面出现淬火裂纹或磨削裂纹，造成钎尾的报废。 在检查合格和清洗结束后，需要在钎尾的供水孔处插入棉绳，因为钎尾供水孔处也要受到矿水的冲刷，它也需要有一定硬度和耐蚀性，供水孔处在渗碳时 ，渗碳剂难以 达到内部，棉绳起到 引碳的作用，使其也能满足需要。在以上都准备好后，就可以 把 钎尾 装入到料筐。为了使钎尾的变形小和渗碳效果达到较好，钎尾应垂直吊挂在料筐中，钎尾与钎尾之间均有一定的间隙。为了使渗碳均匀，一般每炉可装 60 根 T38 的 、常用 长 度 为 550mm 8 的小钎尾，同时 携带两个试样块。因为装炉量对钎尾变形量有很大影响，装炉量过多时会产生渗碳、淬火加热和冷却的不均匀，导致加热是钎尾各部分 加热 温度不均匀，体积膨胀不一致，使变形加大。同样，在风冷过程中会使钎尾各部分冷却不同时性增加，内应力增加，变形量加大， 因此装炉量不益过多， 优 选 60 根为好。 待钎尾装好筐后，等炉内温度高于 760 时， 即 可以进行装 炉。因为 只有炉温 在 高于760时， 炉温才能把可燃性气体、液体通入炉内或清除炉内气氛，否则会导致爆炸。同时考虑到公司的多用炉的一些设备的自动程序不灵活，在进炉时需要人工操作进行。 在进炉前应先点燃前炉门口处的煤气喷嘴 内 的煤气，使在前炉门处形成火帘，其能 把炉内的气氛 和外部空气隔绝，防止在开启炉门时，炉内外的气氛压力差过大 ，导致炉内的火源喷出。火帘 在 形成后，在各个部位的指示 灯亮起的前提下，原位灯亮起才能进炉。 钎尾进炉时炉内温度 一般 是设定的最大温度，但因为钎尾进炉后， 开启炉门 时带走了大量的热和钎尾自身需要加热，使炉 内 温 度 下 降 ， 所以 需要再 升温。升温的时间是 根据装 炉量 的多少 来决定的，钎尾多时，需要的升温时间较长；反之，则 升温的时间 较短 。若钎尾量为 60 根时，一般的升温时间 一个小时左右 ，才到达指定的温度 925。 这个渗碳温度比一般的渗碳的温度（ 820左右）高 ， 其原因是：提高渗碳温度，可以显著地提高扩散系数。当渗碳温度从 920升高到 1000是扩散系数就可以提高 1.7 倍以上，所以提高渗碳温度就能提高渗速，缩短渗碳时间；此外，由于温度越高，碳原子从表面向内部的扩散迁移速度也越高，因而 从表及里碳浓度梯度就必定趋于平缓。随着渗碳温度的 提高， Fe原子自 扩散加剧，使钢件表面脱位原子和空穴数增多，更有利于表面吸收 和溶解碳原子。同时，温度升高也增加奥氏体对碳的溶解度，此外，提高渗碳温度还能降低合金碳化物的稳定性，使碳化物溶解到奥氏体中，碳原子从碳化物中解脱出来成为自由状态 ，有利于扩散增加 奥氏体的溶 解 碳 原子 能力。由此可见，提高渗碳温度，不仅能提高渗碳速度、增加渗层深度、减缓浓度梯度的变化，而且也能提高 渗层的碳浓度。因为渗碳温度升高后，表面吸收碳原子的能力增强，加快了碳原子的扩散。具体如图 2 所示 9 综上所述，渗碳温度的提高 ，虽然可以加快渗碳速度 、缩短生产 周期，但过高的温度会 引起奥氏体钢的晶粒粗大，增加零件变形，降低设备及夹具的寿命，同时渗碳后如果直接淬火，渗层中残余奥氏体较多。在实际生产中 ，综合考虑以上因素，一般选用的渗碳温度为 900 950之间。 此外，又因为钢在 900 950下长期保持渗碳后，其奥氏体晶粒度在 6 级以上，有利于零件渗碳后采用直接淬火，因为细晶粒奥氏体淬火后才能获得高强韧性的细晶粒马氏体组织。 若渗碳后 ， 钢的奥氏体晶粒粗大，零件渗碳后必须重新加热，借助 相变细化钢的晶粒后才能进行淬火，这不仅增加能源的消耗，延长了生产周期，而且也降低 渗碳淬火零件的某些质量，例如增加钎尾表面的氧化、脱碳、硬度的不均匀性和变形等。 当温度到达设定值 925后， 即可 向炉内通入丙酮，设定炉内的渗碳碳势，并调节炉内的气氛，开始进入渗碳保温阶段。丙酮是作为渗碳剂 ，我们所用的渗碳介质是丙酮、 甲醇 和氮气 ，甲醇高温分解后相当于稀释气体做载体，丙酮高温分解后，作为渗碳 剂 ，此外，在实际生产中，有时要通过调节氮气的流量来稀释炉内气体浓度。当打开丙酮后，由于渗碳温度为 925，会有一部分丙酮不能充分分解，在钎尾表面形成碳黑，影响碳势控制， 10 所以在最初时间炉内的碳势会 较高。 渗碳时气氛的碳势反映炉气的渗碳能力，碳势高表示它在单位时间内放出的活性碳原子的数量多，正常情况下，渗碳钎尾表面吸收的碳原子就多，渗层含碳量也就很高；同时，浓度梯度大，可以提高渗碳速度。但是过高的碳势会在渗碳层形成网状碳化物，使 渗碳层的脆性增大，这样是不允许的。为了使碳势对渗碳过程产生有利的综合效果，我们进行分段控制炉气的碳势来对钎尾进行渗碳，即 把渗碳时间分为两个阶段，第一阶段尽可能地提高碳势，因为这时钎尾的 吸 收 碳 原子 的能力很强，不易产生碳黑，碳势高可使 渗 碳层表面的浓度梯度大，有利于进行扩散，并提高渗碳速度， 此阶段称作强渗期；第二阶段 选择较低的碳势，使 碳原子由渗层表面向内扩散，以降低渗层表面的含碳的质量分数，并增加渗层的深度，此阶段称为扩散期。 第一阶段：强渗期 温度为 925，保温时间为 3 小时，渗碳的碳势设定为 碳的质量分数为 0.85，实际的碳势需要在 碳的质量分数在 0.70 0.80之间，由于公司的多用炉的性能有些差，甲醇和丙酮的实际流量的调节波动有些大，我们在实际生产中把碳势的设定值提高为 0.85。强渗的目的是为了在渗碳层建立高的浓度梯度，提高碳原子在渗碳过程中的扩散速度即渗碳速度，所以采用高碳势的炉气 ，通常控制的炉内的碳势是碳的质量分数为 0.75左右。 保温时间为 3 小时，是因为钎尾的材料 En40B 的合金钢中含有合金元素钒、钼等强碳化物形成元素，这些元素能形成难以溶解的合金碳化物，有效地阻止了奥氏体晶粒合并长大 ，从而有可能提高渗碳温度，加快渗入速度，缩短渗碳时间。同时，它也能使碳浓度梯度趋于平稳。渗碳保温时间主要取决于钎尾的渗碳要求获得的渗层厚度，我们所需的钎尾的渗碳层厚度要为 0.7 1.2mm 之间。在渗碳剂渗碳能力一定的条件下，渗碳层厚度是温度和时间的函数，在相同的渗碳温度下，渗层厚度随时间的延长而增加 ，渗碳层的厚度与时间呈抛物线关系，如图 3 所示，强渗期 的 速度较快。 11 在设定炉内碳势后，为了更准确得了解炉内的实际碳势的值，要测量控制炉内的碳势，目的是为了保证渗碳层达到技术要求的碳浓度，渗碳过程高效和顺利地进行。若炉内碳势过低，则渗碳层含碳量会低于技术要求，并降低渗碳速度。反之，碳势过高，又会使渗碳层含碳量高于技术要求或在钎尾表面出现碳黑，使渗碳层表面的含碳量和深度不均匀，阻止渗碳过程。 测量控制炉气碳势的方法较多，因为 我们所用的多用炉的设备有一些陈旧，炉子的先进性有点不足等特点，我们主要测量碳势的方法是氧 探头控制法和利用高频红外碳 、 硫分析仪分析含碳量 （钢箔称重法） 的方法。氧探头控制法是借助安装在可控气氛多用炉内的氧探头，直接测量炉气中微量氧，并借助炉气调节控制系统控制向可控气氛多用炉 内送给富化气的量，实现对炉气碳势的控制。 利用高频红外碳 、 硫分析仪的方法，即是利用低碳钢箔 测量的方法 ，钢箔的厚度小于 0.2mm，长度在 100 mm 左右，把钢箔 放入炉内进行渗碳，渗碳时间在 25 45 分钟之间， 取出后称取一定量的钢箔片， 利用分析仪分析含碳量。 这种方法是在一定的渗碳气氛和渗碳温度下，放入的钢箔很薄，可以近似把它的渗碳过程 看作纯界面过程，并认为钢箔内表面和心部的碳含量一致。 这种方法可以标定和检测氧探头控制法的准确。当测量 出的钢箔的含碳量高于设定值时，我们需要降低甲醇的流量，增大氮气的流量来降低炉内的气氛的浓度；反之，则相反。通常在实际生产中，强渗期我们需要做 2 3 个钢箔来进行检测碳势，这样可以使 强渗期顺利进行。 12 第二阶段：扩散期 在 强渗期保温 3 小时后，我们要重新设定炉内的碳势，一般扩散期 En40B 的碳势设定为碳的质量分数为 0.65， 实际的碳势要求碳的质量分数在 0.500.60之间， 温度保持不变，保温时间为 3.5 小时。钎 尾经过 3 小时的强渗期的渗碳后，其表面层内的碳浓度较高，应减少表面炉内的含碳量，加大亚共析区，使碳浓度梯度平缓。扩散期的目的是降低表面的含碳量，要求炉气的碳势低，钎尾表面的谈原子向内部扩散，因此采用减少渗碳剂的滴量的方法来改变，一般 丙酮的滴入量为强渗阶段的三分之一到二分之一，这样可获得理想的表面碳浓度和渗碳层深度。因为 En40B 材料的钎尾的渗碳层要求为 0.7 1.2mm 之间，渗碳浓度降低，使渗碳时间增大，因此把扩散的渗碳时间提高到3.5 小时。扩散期的其它原因和操作都和强渗期基本一致。 4.2.2 直接淬火 扩散 保温时间结束后，渗碳基本完成。由于 材料为 En40B 的合金结构钢中含有的钒、钼等强碳化物，这些元素不仅影响了渗碳的渗碳参数，还可以使这种钢渗碳后直接进行淬火，不必正火或双重淬火，简化热处理工艺，同时钎尾的变形和开裂的倾向也很小。虽然直接淬火不能细化钢的晶粒，但是由于这种钢含有钒，钒元素的细化晶粒的效果最显著。又因为 En40B 的钎尾的 热处理要求为：表面最大硬度为 698 772HV，中心的硬度为 370470HV，淬火后的显微组织为淬火马氏体，心部为（低）中碳马氏体和贝氏体。其使用的性能要求不是很高，钎尾的形状不 复杂，表面硬度要求不太高，所以可以对这种材料的钎尾进行直接淬火。 若渗碳后 直接进行空冷淬火，虽然这样简单易于操作，但其缺点是表面会形成贫碳层，影响钎尾的使用性能，因此出炉后要采用风冷加速冷却速度，以减少表面的脱碳现象。 直接淬火和渗碳的工艺曲线图如 图 4 所示： 图 4 直接淬火和渗碳的工艺曲线图 在风机中冷却一个小时左右，钎尾试样拿出经过金相分析 和硬度实验 ，其金相显微组渗碳 925 温度/ 风冷淬火 强渗期 3h 扩散期 3.5h 时间（ h） 13 织如图 5： 图 5 渗碳后直接淬火的金相显微组织 其组织满足渗碳淬火后的要求： 渗碳深度为 0.3048 0.712mm时，维氏硬度为 700HV左右，外表面组织为淬火马氏体，局部脱碳允许小于 0.1mm，深度为 0.7112 0.414mm 时，维氏硬度为 600HV，不允许形成网状渗碳体，深度为 1.0160 1.393mm 时，维氏硬度为500HV，心部为低（中）碳马氏体和贝氏体。 4.2.3 渗碳空淬后常见的缺陷及对策 一个热处理工艺无论多么的完整，在实际生产中都会有一些缺陷存在，我们所做的工艺也是如此，常见的缺陷是：表层粗大块状或网状碳化物、表层大量残余奥氏体、表面非马氏体组织、表面硬度低 、钎尾 畸变过量、 渗碳层深度不足、渗层不均匀、表面脱碳。 4.2.3.1 表面粗大块状或网状碳化物 其主要形成原因是：渗碳剂活性太高，渗碳保温时间过长。我们可以通过降低渗剂的活性；当要求渗层较深时 保温后期适当降低渗剂的活性，如我们采取的分段控制炉气的碳势的方法。若在生产中造成此缺陷，我们可以通过降低碳势气氛下延长保温时间，重新淬火，或者高温加热扩散后淬火的方法来返修。 4.2.3.2 表层大量残余奥氏体 主要形成原因是：淬火温度过高，奥氏体中碳及合金元素含量较高。可采用降低渗剂活性、降低直接淬火或重新加热淬火 的温度来防止。我们生产的 材料 En40B 钎尾 就是采用降低渗剂的活性的方法来防止残余奥氏体的大量出现的。如果此缺陷出现，可以通过冷处理；高温回火后，重新加热淬火；采用合适的加热温度，重新淬火等方法来减少残余奥氏体的量。 4.2.3.3 表面非马氏体组织 形成原因：渗碳介质中氧 原子 向钢中扩散，在晶界上形成铬、锰等元素的氧化物，致使该处合金元素贫化，淬透性降低，淬火后出现黑色网状组织。一般采用控制炉内介质成分、降低氧的含量、提高淬火冷却速度来防止。 4.2.3.4 表面硬度低 形成原因：表面碳浓度低，残余奥氏体过多， 表面黑色网状组织。可以通过控制炉内介质的含量，控制好淬火冷却速度来防止。若形成，表面碳浓度低的，可 14 以进行补渗；残余奥氏体多的，可采用高温回火或淬火后补一次冷处理来消除残余奥氏体。 4.2.3.5 钎尾畸变过量 形成原因：渗碳时装炉方法或夹具选择不当；渗碳温度太高，炉气、炉 内的 压 力 不均匀和不稳定；直接淬火温度过高；零件上渗碳层的浓度和深度不均匀；淬火时造成无规则翘曲。防止方法：钎尾应垂直吊放， 钎尾 在夹具上要平稳不能有预应力，出炉操作要平稳，炉温要适当。 4.2.3.6 渗层深度不足 形成原因：炉温低、保温时间 短、渗剂浓度低、装炉 的数 量过多、工件表面有氧化皮或积碳 。针对形成原因，可通过调整渗碳温度、时间、滴量和 炉子的密封性； 钎尾 应清理干净；渗层过薄时 可以 通过 补渗等方法来防止和返修。 4.2.3.7 渗层深度不均匀 形成原因：炉温不均匀；炉内气氛循环不良；碳黑在表面沉积；钎尾 表面粗糙度不一致； 钎尾 吊挂疏密不均匀； 钎尾 表面有锈斑、油污等。可以通过渗碳前严格清洗 钎尾 ；清理炉内积碳； 钎尾 在 装夹时应均匀分布间隙大小相等；经常检验炉温均匀性；经常检验炉温、炉气 及装炉情况。 4.2.3.8 表面脱碳 表面脱碳是我们经常遇到的 问题，对于以上的缺陷我们可以防止，但表面脱碳有时却不行。 表面脱碳是钢材加热时，其表面层的含碳量会由于与空气中的氧发生化学作用而减少的现象。加热温度越高，时间越长，脱碳层越深。实际上，当加热温度达到 800 850时，钢的表面 脱碳已经开始明显。我们渗碳工艺时间是 925，产生这种缺陷的可能较大，此外， 出炉时间过长，使钎尾在空气中停留的时间过长， En40B 的材料中有些元素 例如 硅 元素 可以促进脱碳 ，这些都可导致脱碳。 脱碳对钎尾的危害是严重的，由于脱碳，它的表面硬度明显地下降，并变得粗糙，抗疲劳强度也显著下降。据 资料介绍，脱碳的钢材的疲劳强度只有光滑钢材的四分之一左右，脱碳将导致钎尾寿命大大降低。 脱碳严重的可造成全部脱碳，其显微组织图如 图 6： 全部脱 15 图 6 全脱碳的显微组织 碳的只有通过抛丸后再重新渗碳的方 法来改变。脱碳不严重的只是部分脱碳，其显微组织图如图 7 和硬度值如表 2，表面有 0.2 mm 的脱碳层。 图 7 部分脱碳的显微组织 表 2 表面有 0.2mm 脱碳层的钎尾的深度及硬度值 测量距离（ mm） 硬度值（ HV10） 0.25 153 0.50 201 0.75 202 1.00 201 1.25 193 心部 168 16 其渗碳层组织为珠光体，心部组织为珠光体、铁素体和细颗粒碳化物。 由于公司的设备自动化程度不高，许多都是人工操作的，在实际操作中不免有人为或设备失的情况，这些都会使出炉的时间过长，造成表面脱碳。我们 大 多数 可以 采用补渗和抛丸后再重新渗碳的方法来补救。 4.3 低温 回火 风冷一个小时后，为了合理地调整力学性能，使钎尾满足使用性能要求；稳定组织，使钎尾在使用过程中不发生组织转变，从而保证钎尾的形状、尺寸不变；降低或消除内应力， 以减少钎尾的变形并防止开裂；减少残余奥氏体的含量。我们采用 先低温 回火。由于En40B 的使用性能不高， 回火后组织只要是回火马氏体就能满足它的要求，故采用低温回火，般回火温度为 200。回火保温时间为 2 小时，回火需要保温一段时间，目的是使钎尾心部和表面温度均匀一致，保证组织转变的充分进行，以及淬火应力得到充分消除。如果回火时间过短，则会导致回火不充分，会使钎尾在磨削时出现裂纹；但是回火时间过长又会提高生产成本，降低设备使用率。考虑以上方面，我们采取保温 2 小时。保温 2 小时后出炉空冷至室温。 低温 回火后，由于我们公司的设备不足，常采用淬火后 卸筐，再重新装筐的方法，通常回火 时钎尾采用堆放在一料板上，料板的平整也在一定程度上影响到钎尾的变形情况 。钎尾的变形在前一部的热处理中已经存在，这样增大了变形。为了使以后的磨削顺利进行，我们通常采用校直钎尾。 校直钎尾是一种要求很大劳动强度的步骤， 我们利用手动压力机进行校直，手动压力机是通过人工操作设备上的手轮控制螺杆及压头的上升和下降，再借助百分表找到钎尾的最大变形量处，再在此处 进行加压，数秒后卸去 压力，使钎尾的变形量减小到 0.15mm 以内， 才能满足磨削 要求。 4.4 时效处理 由于钎尾经过校直后，其内部组织有的发生了变化，在加压时其内应力 增加；同时考虑到材料经过渗碳后其表面含碳量增加，相 当于高碳的合金钢，它的一些性能低温回火不能消除，故采用时效处理。 时效处理的目的是：使马氏体正方度降低、残余奥氏体稳定和消除残余应力及校直时所产生的应力。 时效处理的温度和低温 回火一样为 200，理论上规定时效处理的时间为 5 小时，考虑到生产效率及钎尾的使用性能，我们通常 只保温 3 小时。 经 金 相 分 析 和 硬 度 实 验 ， 其 金 相 显 微 组 织 （ 放 大 100 倍） 如 图 8 ： 17 图 8 回火后的显微组织 其组织为：表面组织为马氏体，心部为回火马氏体和贝氏体，表层组织残余奥氏体的含量不超过 20， 表面 局部总脱碳层深度小于 0.12mm，全脱碳层及晶界氧化深度均不超过0.25mm，表面不允许形成网状渗碳体。回火后表面最大硬度为 570 660HV，最小硬度为450 550HV，中心硬度为 370 470HV。 保温三小时后，空冷至室温。然后进行抛丸处理，抛丸后就可进行精加工 磨削。 整个热处理工艺曲线简图 见图 9： 图 9 材料 En40B 钎尾的热处理工艺曲线简图 5. En40B 常用钎尾的新的热处理工艺 经过以上对公司的 钎尾的热处理工艺的分析，我虽然了解到 En40B 钎尾的热处理工艺和各个工艺参数的选定的原因，但是也发现了钎尾在这个热处理过程中有的工艺缺陷。根据以上的钎尾的工作环境和服役条件的了解 和工艺的分析，以及我在有关资料的收集，现对材料的 En40B 钎尾做 出新的热处理工艺：渗碳 高温回火 等温淬火 低温回火。 5.1 渗碳 渗碳 925 温度/ 时间（ h） 强渗期3h 扩散期 3.5h 风冷 淬火 低温 回火 200 2 h 3h 时效处理 200 18 渗碳的原因、目的和过程都与原来的工艺差不多， 渗碳的各个工艺参数的取得都和原来的取得的原因 一样， 只是它的工艺参数有一些差异。其工艺曲线简图如图 10 图 10 渗碳工艺曲线简图 采 用渗碳后油冷，并进行 1 2h 高温回火，可得到回火索氏体组织，可作为等温淬火的预备组织。 虽然这个工艺比原来的工艺繁琐，但是渗碳后油冷减少了原来工艺形成表面脱碳的倾向。 5.2 等温淬火 等温 淬火是把加热的钎尾投入到温度稍高于 MS点 盐浴槽中 ,保温 足够的时间 (一般为半小时以上 )发生下贝氏体转变后出炉空冷 ,在最初加热时采取预热是为了使钎尾的所热均匀。 其等温淬火的工艺简图如图 11 空冷 油 冷 1 2h 高温回火600 650 1hh 4 8h 渗碳 880 930 温度/ 时间 /h 19 图 11 等温淬火工艺曲线简图 等温淬火不仅能保证钎尾表面获得比直接淬火高得多的 残余压应力 ,而且更重要的是由于渗碳的结果 ,使 En40B钢的 MS点降低 120以上 ,因而在等温过程