金属表面热处理渗碳工艺对比.doc

金属表面热处理渗碳工艺的对比1、 热处理发展历史在实用生产技术发展上值得回顾的有：1890年英国首次公布了制备不可燃气氛发生炉的专利，该气氛用于金属的光亮热处理，德国的A富利1921年申请了在井式炉中通氨渗氮的专利。PP阿诺索夫在1837年就倡导用气体渗碳法，而经过100年后（1935年）前苏联的利哈乔夫汽车厂才有了第一台用煤油裂解气的罐式连续渗碳炉；直到20世纪50年代才逐步取代了固体渗碳和用氰盐的液体渗碳。前苏联的GV沃罗格金在20世纪40年代逐步把感应加热技术应用到炼钢、锻造加热和表面淬火热处理等领域。20世纪40年代末出现了用LiCl露点仪的碳势可控渗碳。离子渗氮于20世纪30年代在德国就有了专利，而KlÊ；ckner公司是在20世纪50年代末才开发出商品设备，并推向工业应用。20世纪60年代初瑞士的H魏斯发明了在井式炉中的CARBOMAAG滴注可控渗碳法。20世纪60年代中期，用吸热式气（载气）、甲烷或丙烷（作富化气）并用CO2红外仪测控炉气碳势的可控渗碳在汽车工业中得到推广。与此同时第一代的冷壁式真空加热油中淬火炉和真空渗碳炉问世。20世纪50年代开发，60年代推广的被称作Tenifer或Tufftride商品名称的盐浴氮碳共渗，使渗氮周期由数十小时缩短到1h2h，可明显提高传动件的抗疲劳、耐磨性和抗咬合能力；由于处理温度低（580），工件畸变小，其缺点是所用氰盐剧毒、废盐废水需妥善处理。为避免使用剧毒的氰盐，20世纪60年代后期开发出了NH3吸热式气（Nikotrier）和NH3CO2（Nitroc）在570的井式或箱式炉中施行的气体氮碳共渗法，随后在汽车曲轴、低载齿轮等零件上获得广泛应用。20世纪50年代高分子聚合物溶液开始用做淬火剂。最早使用的此类聚合物是聚乙烯醇（PVA），以0.1%0.3%的浓度用做感应加热件的喷冷淬火，其冷却能力介于水油之间，不易燃、无污染。20世纪60年代美国联碳公司推出UCON（PAG）系列合成淬火剂，可代替油用于铁和非铁合金的淬火及固溶处理的冷却。随后又有一系列其它类别的合成淬火剂商品问世。高、中、工频以及超音频和超高频、超高频脉冲感应加热表面热处理工艺广泛应用。各种静态固体电路高频、大功率电源相继问世，全自动程控多工位淬火机床和自动装卸料机械手或机器人获得工业应用。20世纪80年代氧探头逐步代替红外仪用于炉气碳势控制的传感器和计算机仿真自适应控制、无损检测技术、机器人装卸结合，使大批量生产的汽车零件的渗碳、淬火、清洗、回火、质检全过程实现自动化和无人作业。20世纪90年代，欧洲IpsenInternational、ALD和ECM等公司相继推出低压渗碳、低压离子渗碳和高压气淬的周期炉和半连续生产线，为提高效率、改善质量、减少畸变和保护环境作出了贡献，为汽车工业热处理未来提供了前景。近20年来，热处理新技术的大量涌现，为机器制造业的发展、机械产品质量的提高、热处理企业的技术改造积累了大量的技术储备，为热处理生产技术的进步提供了广阔前景。2、 氨气的作用：提高淬透性渗碳淬火后的齿轮零件正常的组织应该是马氏体与残余奥氏体，但在实际生产中经常发现在渗碳淬火件的表层出现连续、断续的黑色组织或沿晶界分布的黑色氧化物。普遍的理论认为是由于内氧化使合金元素贫化、淬透性下降导致形成屈氏体类组织，这类组织就被称为非马氏体组织。非马氏体组织深度如果超标严重，反映在力学性能上就是出现零件表面硬度低头的现象，影响硬度梯度。在实际使用中会降低齿轮的耐磨性和疲劳寿命，危害比较严重。尽可能选择含Cr、Mo、V、Mn和Ni等高淬透性的低碳合金钢作为齿轮原材料。对渗碳后的零件采取剧烈的冷却方式(比如强力搅拌)可以有效地减少非马氏体组织，但前提是不能使零件产生开裂或严重的变形。因此在零件变形允许的条件下，尽可能采用激烈的冷却介质和采取剧烈的冷却方式。例如对大的轴齿类零件采用强力搅拌的冷却方式，可以有效地提高齿轮心部硬度及减少非马氏体组织。在渗碳工艺的扩散段，当炉温降至860左右时，开始通入氨气(流量为0.3m3/h)，一直到零件淬火关闭。该方法的原理是，通入氨气给零件渗氮，由于氮原子的渗入，可以补充由于内氧化减少的合金元素，在一定程度上提高了零件表层的淬透性，因此减少了非马氏体组织。（参考文献：李新斌,齿轮渗碳淬火表层非马氏体组织产生的原因及对策J.热加工工艺,2010,39(04):161-172.）三、各种渗碳方法的比较方法条件反应特性固体渗碳法（pack carburizing）1、 A、零件裝入滲碳箱B、滲碳劑充填后加盖，粘土密封C、加熱爐加熱于850-950，持溫约624小時。D、加热完，取出滲碳箱爐外冷卻，冷却后取出零件（可加以热处理）2、 滲碳劑:木炭粉末(約90%)和促進劑(BaCO3或Na2CO3約10%)A:主要反应式：C + CO2 = 2CO(CO2少许)（1） 木炭表面：C + O2 = CO2（2）零件表面：yFe+2COyFeC+CO2（3）C稱為初生碳 或活性碳（nascent Carbon）B：固態反應甚慢。加入促進劑:BaCO3，Na2CO3，LiCO3 ，SrCO3可促進反應。BaCO3 + C 2CO + BaO （4）Na2CO3 + C 2CO + Na2O（5）C、处理温度越高，处理时间越长，渗碳层厚度越大。液体渗碳法（liquid carburizing）1、 将钢料浸入以氰化钠（NaCN）为主成分的溶融盐浴中，NaCN分解出C和N渗入钢料表层。因为同时渗碳及氰化，亦称为渗碳氮化（Carbonitriding）。2、 处理温度约以700为界，此温度以下以氮化为主，渗碳为辅，700以上则渗碳为主，氮化为辅。3、 滲碳劑主成分：NaCN,添加NaCl、NaCO3、BaCl2(减轻NaCN氧化、挥发、劣化，BaCl2促进渗碳)4、 处理的零件200-500预热处理:A:减少温度降低和热应变B:蒸发附着水分，防止爆炸。5、 NaCN随溶融时间增加而劣化，添加补充剂，保持渗碳能力。（钢箔实验：淬火后做弯曲实验或化学分析）注：补充剂应提前预热。A:主要反应式：2 NaCN + O2 = 2 NaCNO （1）NaCN + CO2 = NaCNO + CO （2）高温：4 NaCNO = 2 NaCNO + Na2 CO3 + CO +2 N （3）低温：5 NaCNO = 3 NaCNO + Na2 CO3 + CO2 + 2N （4）渗碳反应：Fe + 2 CO = Fe(C)+ CO2 （5）氮化反应：Fe + N = Fe(N) （6）B、随温度增加碳浓度增加而氮浓度减少。一般液体渗碳温度较高。所以渗碳反应为主体。C、钢箔试验：（1）能反复弯曲，碳含量0.1%左右，无渗碳能力（2）可弯曲，一定角度折断，碳含量0.3-0.5%，渗碳能力降低，需补充剂。（3）马上折断，碳含量0.5%以上，渗碳能力良好。气体渗碳法（gas carburizing）1、 将碳化气体（C4H10，C3H8，CH4等）和空气相混合后，通过10001100 Ni触媒,使碳化氢和空气反应生成吸热型控制炉气即变成气体（Converted Gas）。（输送气体+增碳气体）2、 将此气体送进无外气泄入的加热炉内施行渗碳。3、 变成气体组成：CO=20%、H2=40%、N2余量，内含微量CO2、H2O、CH4。4、 去除煤烟（soot）即burnout5、 煤气调整作业（seasoning）A、主要反应式：2CO=C+CO2（1）CO+H2=C+H2O（2）CH4=C+2H2（3）B、渗碳期间的碳势控制：CH4+CO2=2CO+2H2（4）CH4+H2O=CO+3H2（5）C、控制炉气中CO2或H2O量控制渗碳的碳势，添加CH4、C3H8、C4H10控制炉气中的CO2和H2。D、气体渗碳优点：（1）容易调节渗碳浓度（2）渗碳效果均匀（3）可直接淬火（4）利用扩散可容易调节渗碳层（5）热效率好（6）作业清洁且简单。真空渗碳法（vaccum carburizing）1、 利用真空热处理炉，在减压状态下使用CH4、C3H8等渗碳性气体施行钢料零件的渗碳。温度约1030-10502、 真空渗碳作业可分为以下阶段：（1）预热（2）均热（3）渗碳（4）扩散（5）晶粒微细化（6）淬火加热（7）淬火3、 真空无法渗碳，需适当渗碳剂参与，渗碳剂一般为：CH4、C3H8等。A主要反应式如：Fe+CH4Fe(c)+2H2B、CH4渗碳时分解慢，不易平衡，C3H8分解太快，容易产生大量煤烟，碳势难控制，所以一般在渗碳期间先使钢料表层发生过剩渗碳，然后扩散方式把钢料表面碳量调整到所需数值。C、真空渗碳是通过渗碳时间与扩散时间配合来控制表面碳量和渗碳深度。D、真空渗碳优点：（1）渗碳层表面碳量和渗碳深度控制简单、准确（2）渗碳效果均匀（3）可缩短作业时间（4）渗碳后零件扔保持辉面状态离子渗碳法（ion carburizing）1、 在真空反应炉装上处理件后，真空泵把炉内压力降到10-2-10-3torr，把Ar和CH4或C3H8通入炉内，配合处理条件降到一定压力，以炉体为阳极，处理件为阴极，两极间通数百伏特直流电发生辉光放电（glow discharge）产生高温电浆，碳离子高速冲向处理件表面，可直接将离子注入表面或发生阴极溅散形成FeN。（类似离子氮化）A、主要反应式：Fe+C=FeCB、离子渗碳特点：（1）利用辉光放电加热，所以无需特别的加热装置（2）防止碳化的部位，不用做碳化防止镀覆，只要把该部位用软钢板覆盖即可（3）只要处理件被加热，电力消费少（4）为保证辉光放电，处理件装入密度有限度，比较难做大量处理。四、铝合金淬火介质的分类及特性实际使用的淬火介质种类繁多，一般可分为液体(水、无机物水溶液、有机聚合物水溶液、淬火油、熔融金属、熔盐、熔碱等)、气体(空气、压缩空气、液化气等)、固体(流态床、金属板等)三大类。其中，水、无机物水溶液、有机聚合物水溶液、各种淬火油等，在淬火时要发生物态转变，而气体、熔盐金属、熔碱、熔盐等，在淬火时则不发生物态变化.工件淬火希望的理想效果是获得高而均匀的表面硬度和足够的淬硬深度，消除淬火裂纹和减小淬火变形。即实现“高温阶段快冷，低温阶段慢冷”的理想冷却。通常对淬火介质特性的要求是应满足冷却转变曲线对冷却速度的要求，避免工件变形和开裂;淬火后工件表面应保持清洁;在使用过程中性能稳定，不分解、不变质、不老化、易于控制;工件浸入时不产生大量烟雾和有害气体，以保持良好的劳动条件;便于配置、运输和存储，使用安全:原材料易得，成本廉价。淬火介质的冷却能力，主要取决于该介质的组成及其物理化学性能。在实际运用中，要注意淬火介质冷却特性对淬火工件的质量影响，并根据工件的合金成分多少、淬透性高低、有效厚度和形状复杂程度等因素，来选择合适的淬火介质。采用同一种淬火介质，如果能够改进冷却方法和适当调整工艺参数，则可以获得最佳淬火效果。例如，对淬火介质进行循环、搅拌或施以一定的压力通过工件表面时，可提高淬火介质的冷却能力和工件冷却的均匀性，这对于避免形成淬火软点、减少变形和开裂具有良好的作用。（1）水水是应用最早、最广泛、最经济的淬火介质55,561，它价廉易得、无毒、不燃烧、物理化学性能稳定、冷却能力很强。通过控制水的温度、提高压力、增大流速、采用循环水、利用磁场等作用，均可改善水的冷却特性，减少变形和开裂，获得比较理想的淬火效果。由于这些方法需增加专门设备，且工件淬火后的性能不太稳定，故未能推广应用。所以说，纯水只适合于少数淬透性低且形状简单的工件淬火。（2） 淬火油用于淬火的矿物油通常以精制程度高的中性石蜡基油为基础油，它具有闪点高、粘度低、油烟少、油垢少，抗氧化性与热稳定性好，使用寿命长等优点，适合淬火使用。淬火油只适合于淬透性好、工件壁厚不大、形状复杂、要求淬火变形小的工件。淬火油对周围环境污染大，淬火时易引起火灾，需配备必要的清洗、通风和防火安全设施。影响淬火油冷却能力的主要因素是其粘度值，在常温下低粘度油比高粘度油冷却能力大，温度升高，油的流动性增加，冷却能力有所提高。适当提高淬火油使用温度，也能使油的冷却能力提高。普通机油的使用温度一般都控制在60摄氏度-80摄氏度,最高不超过120摄氏度，以保证使用安全。另外，淬火油在使用过程中，因形成的炭黑及残渣等会使粘度增加，闪点升高，降低其冷却能力，使得淬火油老化和失效。淬火油的闪点、粘度、酸值、皂化值的变化是其临近老化的重要数据，因此，必须进行定期的检测和维护，定期沉降过滤，适时补充新油，这对于延长淬火油的使用寿命是很重要的。由于各种淬火油的组成不同，其密度、粘度和闪点也不相同，因而具有不同的种类和使用范围。在油中加入各种不同的添加剂(如催化剂、光亮剂、抗氧化剂等)，再配合搅拌、喷淋、超声强化和改进淬火设备等，能大幅度提高淬火油的冷却速度，改善冷却的均匀性，或使工件表面光亮洁净，或延长淬火油的使用寿命。随着热处理技术的发展，各种淬火油也得到发展和广泛应用。（3）NaC1水溶液氯化钠加入水中，能显著提高水的冷却能力。氯化钠溶于水中，降低了蒸气膜的稳定性，提高了特性温度。当水中含有5%的氯化钠时，工件进入溶液以后，蒸气膜几乎立即破坏。这是因为氯化钠水溶液与灼热的工件接触，水被蒸发，氯化钠微粒附着在工件表面上，这些氯化钠微粒即刻激烈爆炸成云雾状，使蒸气膜遭到破坏。工件表面上的氧化铁皮也被炸掉，使工件表面与水能直接接触，工件的冷却速度急剧增加，而且冷却进行得也比较均匀。氯化钠水溶液冷却能力强，价格便宜，应用广泛。浓度为5-15%的氯化钠溶液冷却能力大。应用5-15%氯化钠溶液，工件不但得到高的硬度，而且硬度均匀，它多被用于淬透性比较低的钢种。高浓度的氯化钠水溶液，冷却速度变得比较低，可应用于要求变形和开裂倾向的小的工件。氯化钠水溶液淬火介质的缺点是催火后易生锈。淬火后要进行仔细清洗。（4