可控气氛渗碳内氧化问题怎么预防

内氧化是可控气氛渗碳过程中的氧渗入工件表面，与工件表面的合金元素发生反应，形成氧化物造成的。氧会沿着晶界向内部渗入并与合金元素发生反应，产生晶间氧化，晶间氧化的深度就是内氧化的深度。内氧化的存在造成附近区域合金元素贫化，引起被氧化界面淬透性下降，淬火后形成所谓的“非马组织”。1.典型内氧化组织如图1所示。图1典型内氧化金相组织（齿顶，未腐蚀）“非马组织”的产生降低了表面强度及渗碳件的抗疲劳性能，尤其是弯曲疲劳强度，而沿晶界生成的氧化物会降低晶间结合力，裂纹易于在这些位置生成并扩展，从而造成早期失效。随着齿轮行业尤其是汽车齿轮行业对“非马组织”的要求越来越严格，降低渗碳过程中的内氧化、减少“非马组织”成为许多齿轮和热处理公司的难题之一。笔者结合多年的现场应用经验和理论依据，对内氧化的形成进行了系统分析，针对内氧化和“非马组织”提出了可行的预防措施，希望为从事相关领域工作的技术工人员提供参考。2内氧化的形成2.1形成条件内氧化形成的热力学条件为：1）基体金属对氧有一定的溶解度。2）合金元素与氧的亲和力大于基体金属与氧的亲和力。3）在基体金属中，氧比合金元素具有更大的扩散系数。4）在介质中氧势高于形成合金元素氧化物所需要的氧势。2.2形成过程在可控气氛渗碳过程中，介质在工件表面发生了反应，产生氧原子，通过表面吸附、吸收和扩散，使工件表面固溶的氧浓度高于内部，在氧浓度梯度的作用下，氧原子由表及里扩散，当氧浓度超过一定量后，通过反应扩散，使一定浓度的合金或杂质元素被氧化，从而形成其内氧化物，即“内氧化”。在形成内氧化物的过程中，还会存在被内氧化合金或杂质元素由里向外的长程逆扩散，引起基体合金或杂质元素贫化。3内氧化的影响因素3.1渗碳气氛气体渗碳，炉气中不可避免地含有O2、H2O、CO2等气体。当炉子气氛中上述组分含量较高，或炉子密封不好，有空气侵入，或零件表面有严重的氧化皮时，在渗碳过程中都将发生内氧化。3.2合金元素对于溶入铁中与铁形成固溶体的合金元素，由于他们与氧的亲和力比铁大，这些合金元素有被氧化的趋势。在气体渗碳条件下合金渗碳钢中的Si、Cr、Mn、Ti等易氧化元素均满足内氧化发生的热力学条件，图2为930℃加热气氛中不同合金元素的氧化势。从图2中可以看出，Cr、Mn、Si、Ti可以被氧化，而Fe、Mo、Ni、W、Cu则不被氧化。合金元素与氧的亲和力由强到弱排列顺序：Ti＞Si＞Mn＞Cr＞Fe＞W＞Mo＞Ni＞Cu。图2930℃加热气氛中不同合金元素氧化势合金元素的种类及含量决定了内氧化层的生成形态。有研究指出，氧化物的深度通常取决于钢中的Si含量，及与氧亲和力大的合金元素含量。一方面，可以用Si的氧化来测定内氧化的深度，由Mn的氧化来确定内氧化的强烈程度；另一方面，随着钢的总氧化势的增加，内氧化深度具有向更深方向发展的趋势。3.3氧分压气氛中有一定的碳势，就有相应的氧分压。在渗碳时，气氛中的氧分压是决定氧化物形成程度的主要因素，而钢中发生内氧化的先决条件是所处理的钢基体不发生外氧化。资料表明，在930℃渗碳条件下，氧分压满足：对于渗碳气氛而言，可以粗略计算出碳势Cp=1%时的氧分压约为3×10-15Pa。因此，在合金元素以溶质元素形式存在于渗碳钢中时，内氧化不可避免，但随着碳势的增加，氧分压降低，内氧化程度会有所降低。4预防内氧化减少“非马组织”的措施内氧化和“非马组织”是一个系统问题，要想控制内氧化和“非马组织”，需要从多方面入手才能获得满意的效果。在材料一定的情况下，最有效的控制方法是减少氧气的摄入量和缩短工艺时间。4.1采用亲氧能力弱的合金元素钢从合金元素与氧的亲和力由强到弱排列顺序可以看出，Cr、Mn、Si、Ti等元素与氧的亲和力较强，而Ni、Mo等元素渗碳钢可大大减轻内氧化程度。对于内氧化要求严格的渗碳齿轮，应尽量采用CrMo、CrNi、CrNiMo等钢，避免采用CrMn、CrMnTi等钢。在国外，有专门设计的可减轻内氧化程度的渗碳钢种，这类钢减少了Cr、Mn、Si等元素的含量，添加了一定的Mo元素。4.2保证原辅材料纯度可控气氛渗碳处理气氛主要有甲醇滴注气氛、氮甲醇气氛、直生式气氛和吸热式气氛四种。主要工艺气氛原辅材料有氮气、甲醇和丙烷（或天然气）。（1）氮气纯度氮气纯度要求达到99.99%以上。应尽量采用液氮获得氮气，避免采用制氮机获得氮气。在没有液氮只能使用制氮机的情况下，制氮机应购买可靠性高的产品，并严格按厂家的规定对制氮机进行维护保养。制氮机的产气量要考虑到开炉门充氮气的峰值使用情况，防止由于氮气使用量突然加大导致氮气纯度下降。（2）甲醇含水量甲醇中的水含量要小于0.1%，应尽量购买有纯度保障的甲醇，并检查每批甲醇的含水量。（3）丙烷和天然气的水和硫含量对于甲醇滴注气氛和氮甲醇气氛，丙烷和天然气作为富化气使用。对于直生式气氛和吸热式气氛，丙烷和天然气既作为富化气使用，也是工艺载气的气源。丙烷和天然气供气公司出厂之前，已经对硫和水分等有害物质进行了过滤，在此可以不关注。4.3可控气氛满足要求可控气氛渗碳处理的设备通常有三类，多用炉、连续炉和井式炉。（1）氮甲醇气氛设备厂家推荐的氮气和甲醇比例一般是1︰1~1︰1.1（m3/h︰L/h），尽量采用1︰1.1。工艺载气碳势提高，可以提高渗碳速度，缩短工艺时间，从而降低内氧化。（2）吸热式气氛设备厂家推荐的露点一般是-3~-5℃，尽量采用-5℃。工艺载气碳势提高，可以提高渗碳速度，缩短工艺时间，从而降低内氧化。（3）直生式气氛对于内氧化要求高的齿轮零件的可控气氛渗碳，应尽量避免采用直生式气氛。丙烷在低于850℃时不能充分裂解，天然气在低于900℃时不能充分裂解，无法充分与氧气发生反应，生成足够的一氧化碳和氢气，导致炉气呈氧化性气氛。对于多用炉，如果已经是直生式气氛，可以找设备厂家对炉子进行改造，在装炉升温阶段关闭空气-丙烷（或天然气）混合阀，只通甲醇，减少零件在升温阶段的氧化。待炉温升到渗碳温度后，再转换成直生式气氛。对于井式炉，装炉升温排气阶段应该使用甲醇排气，待炉温升到渗碳温度时，再转换成直生式气氛。装炉升温阶段只通甲醇，还可以大大减轻炭黑的产生，因为丙烷和天然气在低温时不能充分裂解，极易产生炭黑。对于推杆式连续炉，升温加热区采用甲醇气氛，强渗、扩散区采用直生式气氛，降温区采用甲醇或氮甲醇气氛，是一个比较好的搭配。4.4提高炉压提高炉压可以提高渗碳速度，缩短工艺时间，从而降低内氧化。炉压应该控制在200Pa以上，通常要达到250Pa。不过有的炉子受结构限制，炉压无法达到这个压力。4.5合理的热处理工艺高渗碳温度、高碳势、高淬火温度能有效降低内氧化。（1）高的渗碳温度提高渗碳温度，降低渗碳工艺时间，是控制内氧化的有效方法。20CrMnTi钢渗碳温度可以到930℃。对于多用炉和井式炉，如果炉子保温性能特别好的，浅层渗碳（渗层深度≤0.6mm）时提高渗碳温度并不能降低渗碳过程时间，因为提高渗碳温度会增加升温和降温时间，特别是降温时间会大幅增加。一个智能渗碳模拟控制软件是必要的，它可以模拟出整个渗碳过程，从而编制出最合理的渗碳工艺。对于推杆式连续炉，提高强渗和扩散区温度，缩短节拍，可以有效降低内氧化。不过需兼顾降温区零件要降到淬火温度并均温。（2）高碳势炉内气氛碳势和氧分压成反比关系，碳势越高则氧分压越低。高的碳势会大大降低内氧化的动力。编制工艺时，无论是升温阶段还是强渗阶段，都应该尽量采用高碳势。高碳势同样可以缩短工艺时间，也可以降低内氧化。有一个温度碳势炭黑析出点曲线，将强渗碳势设置到炭黑析出点的95%，既可以保证高碳势，又可以保证不会析出严重积碳。智能渗碳模拟控制软件，可以自动控制在不同渗碳温度下以最高碳势渗碳。（3）强渗扩散时间比例对于多用炉和井式炉，应降低扩散时间在工艺过程中所占比例。对于渗层要求低于0.6mm的，可以不需要扩散阶段，直接从降温开始降碳势扩散。强渗扩散时间比例的调整，要保证渗碳后零件从表面到心部碳浓度梯度曲线，既不要下降太陡，又不要出现次表面碳浓度高于表面碳浓度。下降太陡，说明扩散时间过长，工艺时间还可以缩短。次表面碳浓度高于表面碳浓度，说明扩散时间不够，淬火后表面应力会呈现拉应力状态，从而降低疲劳寿命。对于推杆式连续炉，由于分区无法改变，这个比例调整的可能性很小。（4）高的淬火温度高的淬火温度，既可以提高过淬火的过冷度，提高零件淬透深度，降低“非马组织”的产生，又可以缩短降温时间，起到降低内氧化的作用。4.6热处理设备的保证（1）良好的密封性设备的密封性差会在渗碳处理过程中带入过多的氧气，对内氧化影响很大。应每3个月对设备进行一次检漏并最大限度地堵住漏点。密封性不好还会降低炉压，延长工艺时间，从而加重内氧化。（2）开炉门充安全氮气大多数多用炉，都设置了开炉门（所有炉门）充安全氮气的功能，以抵御开炉门时炉内产生负压而吸入过多的氧气发生爆炸的危险。但是开炉门充氮气功能，很多设备厂家都设置成只对淬火室充氮气，而不对加热室充氮气，导致加热室不能及时抵御负压的产生而吸入大量氧气，同时吸入的氧气也不能及时排出。因此，要严格控制内氧化，就要控制加热室氧气的吸入量，开炉门充氮气的管路应改到加热室，或加热室和淬火室同时充氮气。设置一个甲醇旁路，开炉门充氮气的同时，打开甲醇旁路向加热室追加甲醇，更有利于加热室炉压的快速恢复和氧气的快速排出。（3）通入氨气渗碳末期通入氨气，提高零件表面淬透性，可以减少“非马组织”。氨气需进行纯化处理，以除去氨气中的水分。（4）关闭平衡空气甲醇滴注气氛、氮甲醇气氛和吸热式气氛渗碳设备，都设有平衡空气。渗碳处理过程全程关闭平衡空气，可以减少内氧化。另外，关闭平衡空气，还可以减少富化气的用量，降低炉内积碳。4.7淬火冷却方式采用强烈的淬火方式，可以提高淬硬深度，减少“非马组织”。快速淬火油在相同渗碳工艺情况下“非马组织”优于等温分级淬火油。快速淬火油还可以提高有效硬化层深度，降低工艺时间，从而降低内氧化。4.8后处理强力抛丸和强力喷丸处