特殊热处理——真空渗碳.ppt

真空渗碳 2 真空渗碳原理 渗碳气的分解高纯天然气 CH4 或丙烷直接通入炉内 CH4 C 2H2 45 2kJC3H8 C2H4 CH4吸收阶段扩散阶段 3 渗碳气的分解过程 甲烷的具体反应过程 CH4 CH3 HCH4 CH3 C2H6 HC2H6 C2H4 H2C2H4 C2H2 H2C2H2 2 C H2催化剂的作用 铁和钢的表面对甲烷分解起了良好的催化作用 CH4 C 2H21000 以上分解较完全 4 渗碳气的吸收阶段 化学反应在表层生成渗碳体 3Fe CH4 Fe3C 2H2薄层渗碳体分解出原子并向内部扩散 渗碳气分解产生的活性碳原子吸附在钢表面并融入奥氏体内 化学热处理的过程 表面净化过程吸附反应过程吸收扩散形成渗层 5 渗碳过程的扩散阶段 渗碳气中的碳浓度与奥氏体中饱和溶解度相等 则 dT 802 6t1 2 10 6700 T 25 4Kt1 2dT总渗碳深度 mmt 渗碳时间 hT 渗碳温度 460K 渗碳速度系数 渗碳温度提高 渗碳效率大大提高 渗碳温度 时间与总渗碳深度的关系曲线 6 真空渗碳工艺 零件的清洗零件的放置升温及均热均热目的均热时间的确定渗碳期及扩散期 7 渗碳期及扩散期 渗碳剂渗碳温度渗碳方式渗碳气的流量与渗碳压力渗碳时间渗碳期与扩散期时间的确定脉冲渗碳方式的脉冲周期和次数的确定渗碳后热处理 8 渗碳温度的确定 渗碳温度的适用范围 9 真空渗碳工艺流程 几种真空渗碳工艺流程 10 时间的确定 渗碳时间T渗碳期时间 Tc T C1 C0 C2 C0 2Tc渗碳时间 hC1渗碳后的表面浓度 技术要求 C2渗碳结束后表面碳浓度 渗碳温度下奥氏体最大碳溶解度 C0原材料的含碳量 11 电动机齿轮的真空渗碳 20CrMo电机齿轮的形状 电机齿轮在料筐的堆放方式1 料筐 2 齿轮 3 垫圈 4 螺母 5 螺栓 12 渗碳层的分布 材料 20CrMo渗层深度 0 38mm及0 64mm硬度58 3HRC带花键的内孔要求防渗丙烷加氮气脉冲式渗碳 充气至2 66 10 4Pa 脉冲时间5min 13 齿轮真空渗碳后的金相组织 齿轮 0 38mm渗层 真空渗碳后金相组织照片 400 a 齿顶处b 齿工作面c 心部 14 齿轮真空渗碳后的金相组织 齿轮 0 64mm渗层 真空渗碳后金相组织照片 400 a 齿顶处b 齿工作面c 心部 15 电动机齿轮渗碳层金相 渗碳后表面金相组织照片a 真空渗碳 130 b 滴注法气体渗碳 600 16 电动机齿轮渗碳层成分分析 被氧化晶界处的探针分析a O扫描分析b Mn扫描分析c Cr扫描分析 17 阀门电动装置零件 真空渗碳后的阀门电动装置 阀门电动装置零件的真空渗碳工艺 18 蜗杆内渐开线花键孔真空渗碳 气体渗碳后内渐开线花键孔的金相组织 退火 25 真空渗碳后内渐开线花键孔的金相组织 退火 25 真空渗氮 20 概述 真空渗氮技术是利用真空加热时工件表面清洁无氧化等特点 采用真空热处理在负压下进行渗氮 渗氮后工件表面硬度高 脆性小 渗氮层均匀能满足尖锐刃口刀具与冷冲模的技术要求 真空渗氮时 将真空炉排气至较高真空度 1 10 1Pa 然后将真空炉内工件升至 530 560 同时送入以氨气为主的 含有活性物质的多种复合气体 并对各种气体的送入量进行精确控制 炉压控制在665Pa 保温 3 5 h后实施炉内惰性气体的快速冷却 根据不同的材质 经此处理后可得到 20 80 m硬度为 600 1500 HV的硬化层 21 真空脉冲渗氮影响因素 渗氮温度 真空渗氮温度过高 合金化合物粗大 渗氮温度过低 渗层浅 合金化合物少 硬度低 炉压 炉压上限越高 渗层的深度和硬度也好真空度越高 硬度和渗层的厚度较好 氮化时间 时间增加 硬度增加 且有化合物层出现硬度增加越明显 渗层也加深 脉冲时间过长 渗层变薄 排出气不能充分燃烧 时间过短 表面脆性大氨气流量 流量越多硬度越高 渗层加深 22 4Cr5MnSiV1钢热挤压模真空渗氮工艺 真空渗氮是在低压状态下产生活性氮原子渗入并向钢中扩散而实现硬化的 真空排气式氮碳共渗 处理 一般渗氮温度为530 560 保温时间3 5h低温碳氮共渗的渗层厚度只有在开始氮化的前3 4h内增加显著 而后明显减慢 Q 压铸模具工作时 因集中性的急冷急热 服役条件过严 表面易发生热冲击裂纹 热粘着 熔损 浸蚀等缺陷 对压铸型腔模以提高抗热冲击性能为主 以防止龟裂发生 对铸芯或浇口 顶杆等以提高抗粘着 熔损 浸蚀为主 23 4Cr5MnSiV1钢真空渗氮试验 热处理工艺 1040 80min真空淬火 605 180min真空回火处理两次 试样尺寸 20mm 15mm 6mm 试样材料 试验材料4CrMnSiV化学成分 质量分数 24 真空渗氮工艺流程 真空脉冲渗氮工艺曲线 25 六组试验结果 4Cr5MoSiV钢制铝型材热挤压模真空渗氮试验结果 26 4Cr5MnSiV1钢真空渗氮层组织 真空渗氮层组织中均无脉状晶组织存在 通过对氨流量及炉压的调控 可以获得仅有扩散层渗氮层和白亮化合物层 扩散层的渗氮层两层 白亮层 27 白亮化合物层的获得及渗层厚度 氨流量的变化 N1 N2 N3 N6的比对 适当提高氨流量 可降低氨的分解率 减少工件表面氮气和氢气的吸附 从而增大工件表面对活性氮原子的吸收 使渗层的厚度和硬度得到有效提高 同时还通过循环交替的通入NH3和抽真空来调控炉内的氨量 以得到无化合物层 仅有扩散层的渗层组织 显微组织图中的N2 随着氨流量达到一定值时 工件表面活性氮原子的浓度梯度不断增大 当超过了其在x Fe中的溶解度后 就会在表层开始形成白亮氮化物层 显微组织图中的N3 28 白亮化合物层的获得及渗层厚度 N4前期加大氨流量以增大工件表面的活性氮原子的浓度梯度 强化氮原子不断由表面向内部的扩散 从而可增加扩散层的厚度 而后期又减小了氨流量 可避免表面形成白亮氮化物层 从而获得较为理想的渗层厚度及表面显微硬度 N4 相反 试验N5中前期采用小的氨流量 影响了扩散层厚度的增加 而后期采用大的氨流量 促进了表面形成了白亮氮化物层 29 渗氮层显微硬度分布 N3 白亮层 扩散层 N4 仅有扩散层 硬度分布都较为平缓 N4的硬度分布比N3更为平缓 这与N3的试样表层形成白亮氮化物 造成相邻的次表层合金元素的贫化 使得最外层的白亮层与次表层的硬度梯度特别陡峭 会影响到热挤模在热挤压过程中所承受的热疲劳状态 产生渗层剥离现象 降低挤压寿命 有文献认为 仅有扩散层而无氮化物层 白亮层 的氮化层韧性最好 30 真空渗氮层的性能 真空渗氮优点之一就是通过对送入含活性物质的复合气体种类和量的控制可以得到几乎没有化合物层 白亮层 而只有扩散层的组织 没有白亮层的原因据推测是因为在真空炉排气至真空度为1 10 1Pa很低的压力中处理的 最重要的一个是带有活性物质的复合气体在短时间内向钢中扩散生成的扩散层组织 这种组织的极大优点是耐热冲击性 抗龟裂性能优异 1000次试验后断面裂纹的数量和长度 磨损量与摩擦时间的关系 31 真空渗氮热挤压模的工作试验 N3试验模表层白亮化合物与次表层的硬度梯度较陡 减弱了两者间的结合力 降低了其在热挤压过程中的接触疲劳强度 造成渗层剥落 严重影响了挤压通过量 N4说明仅有扩散层的渗层 其耐磨性还有待进一步的提高 提高仅有扩散层的渗层硬度 适当厚度的白亮层与扩散层的合理结合 真空渗氮试验模挤压通过量 32 4Cr5MoSiV1钢挤压模真空渗氮结果 基本上消除渗层中的脉状晶组织 可通过改变炉压级氨流量来调控渗层组织结构 提高渗层质量 真空渗氮层的显微硬度分布较平缓 仅有扩散层的渗层硬度分布更理想 工艺设备简单 节省主原料氨气用量 真空渗氮的试验模通过考察其挤压通过量发现 适当的渗氮层厚度 0 12 0 15 仅有扩散层的明显优于有白亮层 扩散层的 33 H13 3Cr2W8V模具钢真空脉冲渗氮生产 渗氮层组织均匀而致密 没有明显的孔隙或夹杂 这对材料的耐磨性 耐腐蚀性 耐疲劳性 抗咬合性均有很好的作用 34 H13 3Cr2W8V模具钢渗氮层显微结构 在真空条件下 气体具有更多的运动机会 扩散更迅速 在真空脉冲渗氮过程中 采用脉冲送气和抽气方式 炉内氨气不断更新 避免出现滞留气体 使模具各表面经常能与新鲜的氨气接触 因而可以得到均匀的渗层 真空脉冲渗氮时 随着炉气压力的降低 由于局部脱气作用使表面化合物层内的孔隙程度减轻或消失 因而形成致密的化合物层 35 H13 3Cr2W8V模具钢渗氮层脆性及硬度 H13 3Cr2W8V经脉冲渗氮后的渗氮层脆性小 化合物层薄 扩散层较厚 硬度较高 炉温升到渗氮温度时 一部分氨分子在被模具表面吸附并发生分解 如2NH3 3H2 2 N 所述 随后活性氮原子 N 以间隙固熔体形式渗入模具表面 在渗氮保温时 一方面表层渗氮 另一方面氮向里层扩散 形成一定深度的氮层 两段渗氮的主要目的是降低渗层白亮层的厚度 H13 3Cr2W8V渗氮层脆性和表面硬度 36 模具钢真空渗氮 模具钢经真空脉冲渗氮后 可获得化合物层薄 无明显疏松 脆性小的渗氮层 渗氮层脆性小是真空脉冲渗氮特点 因而可大大提高压铸模 冷冲模和塑料模的