钢的渗碳热处理

钢的渗碳 主要内容 一 渗碳的目的和应用范围 定义渗碳 将钢件置于具有足够碳势的介质中加热到奥氏体状态并保温 使其表层形成一个富碳层的热处理工艺 碳势 纯铁在一定温度下于加热炉气中加热时达到既不增碳也不脱碳并与炉气保持平衡时的表面含碳量 主要目的 是提高工件表面的硬度 耐磨性和疲劳强度 同时保持心部具有一定强度和良好的塑性与韧性 应用范围 在机器制造业中 有许多重要零件 如汽车变速箱齿轮 活塞销 摩擦片等 可以渗碳的钢一般是碳的质量分数为0 12 0 25 的低碳钢或低碳合金钢如20 20Cr 20CrMnTi 20CrMnMo 18Cr2Ni4W等 二 渗碳方法 根据渗碳剂的不同 渗碳方法可分为固体渗碳 液体渗碳和气体渗碳 1 固体渗碳固体渗碳是将工件置于填满木炭 90 左右 和催渗剂 BaCO3 CaCO3或Na2CO3等 10 左右 的固体渗碳箱内进行的 如图1所示 2 液体渗碳液体渗碳就是在液体介质中进行的渗碳工艺 它可分为两类 一类是加有氰化物的盐浴 另一类是不加氰化物的盐浴 因氰化物有剧毒现已基本不用 不加氰化物的盐浴由NaCl或KCl Na2CO3 和 NH2 2CO或木粉组成 如图2所示 3 气体渗碳气体渗碳是指零件在气体渗碳剂中进行渗碳的工艺 如图3所示 气体渗碳法的生产率高 渗碳过程容易控制 渗碳层质量好 且易实现机械化与自动化 故应用最广 图1固体渗碳箱1 渗碳剂2 工件3 箱体4 6mm铁板4 泥封5 试棒 10mm6 盖 铁板厚6 8mm 图2井式气体渗碳炉1 风扇电动机2 废气火焰3 炉盖4 砂封5 电阻丝6 耐热罐7 工件8 炉体 注 在供应的原料气组分稳定的情况下 只要控制气氛中的微量组分CO2 H2O CH4或O2中的任何一个含量 便可控制上述反应达到某一平衡点 从而实现控制气氛碳势的目的 通常 生产中用露点仪控制H2O含量 用红外线仪控制CO2含量 用氧探头法控制O2含量 三 气体渗碳 1 渗碳介质的分解由介质中分解出活性碳原子 渗碳气氛在高温下分解出活性碳原子 C 即 2 碳原子的吸收工件表面吸收活性碳原子 也就是活性碳原子由钢的表面进入铁的晶格而形成固溶体 或形成特殊化合物 3 碳原子的扩散被工件吸收的碳原子 在一定温度下 由表面向内部扩散 形成一定厚度的渗层 一 原理 1 气氛碳势一般渗碳件的表面含碳量可在0 6 1 1 间变化 确定最佳表面碳含量的出发点首先是获得最高的表面硬度 其次是使渗层具有最高的耐磨性和抗磨损疲劳性能 研究表明 渗碳层的表面碳的质量分数最好在0 8 1 0 范围内最佳表层碳含量确定后就可根据表面碳含量与碳势的关系 确定碳势 2 渗碳温度渗碳温度首先影响着分解反应平衡 粗略地说 如果气氛中的CO2含量不变 则温度每降低10 将使气氛碳势增加约0 08 其次 温度也影响碳的扩散速度 如果气氛碳势不变 温度每提高100 可使渗碳层深度增加1倍 第三 温度还影响着钢中的组织转变 温度过高会使钢的晶粒粗大 生产上广泛使用的温度是900 930 对于薄层渗碳温度可降到880 900 这主要是为了控制渗碳层深度 而对于深层渗碳 大于5mm 温度可提高到980 1000 这主要是为了缩短渗碳时间 3 渗碳时间渗碳时间主要影响渗层深度 同时也在一定程度上影响浓度梯度 二 工艺参数的选择与控制 d 渗层深度 mm t 渗碳时间 h T 渗碳温度 K 三 渗碳工艺参数的综合选择 升温阶段工件达到渗碳温度前的一段时间 用较低的碳势 高速渗碳阶段正常温度或更高温度下 用高于所需表面碳含量的碳势 时间较长 扩散阶段工件降到或维持在正常渗碳温度下碳势降到所需表面碳含量 时间较短 预冷阶段使温度降低到淬火温度 便于直接淬火 图3气体渗碳典型工艺曲线 低碳钢渗碳后 表层含碳量可达过共析成分 由表往里碳浓度逐渐降低 直至渗碳钢的原始成分 渗碳件缓冷后 表层组织为珠光体加二次渗碳体 心部为铁素体加少量珠光体组织 两者之间为过渡层 越靠近表层铁素体越少 一般规定 从表面到过渡层一半处的厚度为渗碳层的厚度 四 渗碳层成分 组织和厚度 典型零件渗碳层厚度确定方法 1 淬火淬火是为了获得马氏体组织 以得到高硬度 通常有三种方法 即预冷直接淬火 一次加热淬火和二次加热淬火 渗碳零件淬火温度的选择要兼顾高碳的渗层和低碳的心部两方面的要求 原则上 过共析层的淬火温度低于Accm 而亚共析层的淬火温度高于Ac3 如果Accm Ac3 很容易选择一个淬火温度来同时满足这两者的要求 果Accm Ac3 则很难同时兼顾 在这种情况下 要根据对零件的主要技术要求 钢件的心部能否淬透 渗碳后零件的表面含碳量和所采用的淬火方法等综合考虑加以决定 五 渗碳后的热处理 预冷直接淬火对于碳钢 预冷温度应在Ar1 Ar3之间 对于多数合金钢 通常预冷温度在820 850 之间 一次加热淬火一般合金渗碳钢 常采用稍高于Ac3的温度 820 860 加热淬火 二次加热淬火第一次淬火的加热温度应高于心部的Ac3温度 第二次淬火主要是为细化表层组织 温度选择稍高于表层的Ac1 图5渗碳件常用的淬火方法a 预冷直接淬火b 一次淬火法c 二次淬火法 2 回火渗碳件淬火后尚需进行低温回火 回火温度通常为150 190 3 冷处理作用是减少或消除残余奥氏体 从而适当提高渗层硬度 由于冷处理生产成本高 又增加了工序 目前生产中除特殊渗碳零件外 一般很少采用 20钢4 硝酸酒精500 930 气体渗碳8小时 直接淬火表层组织照片 马氏体 碳化物 白色颗粒 残余奥氏体 20钢4 硝酸酒精500 930 气体渗碳8小时 930 加热淬火心部组织照片 低碳马氏体 未溶铁素体 1 也可用齿顶硬度代替 对斜齿轮 圆锥齿轮 还可用齿端面硬度代替 但均应考虑与齿面硬度的差异 对无法用硬度计检验的齿轮 可用标准锉刀检验 或用随炉试样检测 2 心部硬度也可用随炉试样检测 其他零件心部硬度在距表面三倍渗碳层深度以外处进行检测 3 所谓过渡区 是指由共析区内侧至心部外侧组织之间的区域 1 外观工件表面无氧化 锈蚀 剥落 碰伤 裂纹等 2 硬度在淬火 回火后检验 表面硬度 心部硬度及非渗碳区硬度应符合技术要求 对渗碳齿轮 JB T7516 1994规定表面硬度以分度圆处齿面为准 1 心部硬度的检测部位为齿根圆与轮齿中心线相交处 2 检率按规定执行 硬度不合格时 应加倍抽检 仍不合格则视情况进行返修或判报废 3 渗碳层深度常用渗碳层深度检测法有以下四种 断口目测法将渗碳工件淬火后打断 观察断口形貌 渗碳层呈白瓷状 中心未渗碳部分呈灰色纤维状断口 金相测量法渗碳缓冷后的试样经磨制 腐蚀后 在显微镜下测定 碳钢的渗碳层深度是从表面垂直量至1 2过渡区 3 其渗碳层包括过共析层 共析层 1 2过渡区 并要求过共析与共析区之和应占总层深的75 以上 合金钢渗层深度是从表面垂直量至出现心部原始组织为止 包括过共析层 共析层 过渡区全部 并要求过共析与共析区之和应占总层深的50 以上 硬度测量法根据GB T9450 2005进行测量 剥层化学分析法此法精确可靠 但取样和分析较麻烦 生产中很少采用 4 金相组织检验一般在淬火 回火后 按有关行业标准进行检验 检验项目包括碳化物 大小 数量和分布等 马氏体针的大小及残余奥氏体数量多少 心部游离铁素体的大小和数量等 5 裂纹可靠性要求高的齿轮在热处理和磨齿后 100 检验 一般齿轮进行抽检 检验方法有磁粉探伤 超声波探伤 金相法等 6 畸变按图样技术要求进行检验 六 渗碳件质量检查 1 表面硬度偏低2 渗层深度不够或不均匀3 金相组织不合格4 渗碳层内出现氧化5 零件变形超差6 心部硬度过高 七 渗碳热处理的常见缺陷及产生原因 一 常见缺陷 1 表面硬度偏低可能是表面脱碳 或出现非马氏体组织 或是表层马氏体回火抗力低等2 渗层深度不足或不均匀深度不足 渗碳时间过短 深度不均匀 炉气循环不良或温度不均匀 往往与炉子设计和零件装炉情况不良有关 3 金相组织不合格不采用过高的气氛碳势 采用细晶粒钢 采用一次加热淬火 采用冷处理 适当提高淬火温度4 渗碳层内氧化渗碳气氛中含