真空滲碳及碳氮共滲技術(shù)近況和應用

　　在簡(jiǎn)述真空滲碳及碳氮共滲近況的基礎上，重點(diǎn)介紹了乙炔真空滲碳及乙炔、氨氣真空碳氮共滲的效果及應用。在WZST系列雙室真空滲碳淬火爐滲碳后，滲碳層深度均勻性為±0.05～0.08mm。當滲碳深度為0.97～1.08mm時(shí)，表面碳濃度為0.84%～0.87%。20CrMo鋼制精密級齒輪真空碳氮共滲后，硬化層深0.15～0.30mm，硬度550HV0.5，齒輪內孔直徑變形量≤0.01mm，且無(wú)喇叭口。

一、真空滲碳近況

1、丙烷作為滲碳氣的特點(diǎn)

　　丙炳因含有豐富的“C”源，早期真空滲碳一直采用丙烷(C3H8)為滲碳氣。其特點(diǎn)如下：

　　(1)滲速快，可實(shí)施高溫快速滲碳。

　　(2)滲層組織中無(wú)晶界氧化層。

　　(3)使復雜形狀和不通孔滲碳成為可能。

2、丙烷作為滲碳氣的問(wèn)題

　　(1)裝爐量增加，滲碳氣流量增加，壓力加大，炭黑也越嚴重。

　　(2)由于炭黑嚴重，維修頻率加快。

　　(3)為了減輕維修量、頻率，不得不減少裝爐量，導致生產(chǎn)率低下。為此，真空滲碳停留在特殊領(lǐng)域、特殊零件的應用，難于推廣和普及。

3、乙炔作為滲碳氣的特點(diǎn)

　　有人用16MnCr5鋼試樣，在1000℃、1×10³Pa時(shí)滲碳10min后，經(jīng)2×10⁵Pa氮氣中快速冷卻。采用4種不同的滲碳氣：甲烷、丙烷、乙烯和乙炔。16MnCr5鋼用各種碳氫化合物氣體滲碳后碳濃度的分布曲線(xiàn)示于圖1。從圖1中可看出，甲烷表面碳濃度最低達0.2%，基本上沒(méi)有滲碳能力;乙炔表面碳濃度最高達1.4%，滲碳能力最強;丙烷、乙稀結果相同，滲碳能力居中，而且相同的滲碳層深，用乙炔滲碳時(shí)碳濃度要高0.1%。碳的傳輸能力或稱(chēng)富化率(g/m²·h)也得到相同的規律，甲烷2g/m²·h，丙烷和乙稀為120g/m²·h和130g/m²·h，乙炔的碳傳輸最大，接近150g/m²·h。

　　更為重要的是不同滲碳氣體在真空滲碳時(shí)，進(jìn)入小而深的不通孔的滲碳效果。對3mm×90mm的不通孔做試驗，900℃、5×10²Pa、10min滲碳，2×10⁵Pa氮氣中快冷，再次加熱至860℃并在5×10⁵Pa氮氣中淬火。圖2是用不同碳化氫氣體滲碳后的試驗結果。從結果可以明顯看出，丙烷及乙稀滲碳能力只能使不通孔深6mm處滲碳淬硬，>6mm處均未被滲上。而用乙炔進(jìn)行滲碳，沿著(zhù)孔的深度直至不通孔的底部90mm全部滲上了碳，顯然乙炔比丙烷或乙稀具有明顯的、更強的滲碳能力。乙炔的應用使真空滲碳技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了新的階段，生產(chǎn)中炭黑的產(chǎn)生明顯減少，維修周期拉長(cháng)，效率提高，裝爐量逐漸加大到300～700kg/爐。

4、飽和值調整法

　　圖3是表示在相圖上的真空滲碳工藝及飽和值調整法。氣體滲碳是對滲碳氣氛的碳勢進(jìn)行控制。真空滲碳是利用調整達到碳的固溶極限的滲碳時(shí)間，以及停止供滲碳氣后的擴散時(shí)間，來(lái)控制滲碳層的方法，這就是所謂的“飽和值調整法”。

　　在試驗確定了滲碳氣流量、壓力的基礎上，設定好時(shí)間參數，用自動(dòng)控制的方法可以方便地確保生產(chǎn)質(zhì)量的再現性。

二、真空滲碳均勻性

　　表1、表2是系列雙室真空滲碳爐某些爐型均勻性測試結果。測量點(diǎn)和國標規定的溫度均勻性5點(diǎn)測溫的位置一致。據這些表中數據來(lái)看，滲層深度±0.08mm，碳濃度±0.05%。

三、真空滲碳的應用

1、齒輪類(lèi)零件的應用

　　圖4為20CrMo齒輪類(lèi)零件真空滲碳后外觀(guān)，滲層深度分別是0.38mm、0.64mm。表3是變形和硬度情況。

　　圖4所示各類(lèi)齒輪精度等級為JB179-60、8DC級，熱處理后不再研磨加工，直接裝配，因此變形量要盡可能小。變形大時(shí)，因電動(dòng)機轉速高(1450r/min)會(huì )使噪聲增大，甚至會(huì )使裝配無(wú)法進(jìn)行(因內漸開(kāi)線(xiàn)花鍵孔無(wú)法再加工)。從表4可知，各齒輪件變形量可控制在0.05mm以?xún)取?/p>

2、不銹鋼滲碳

　　為了給耐蝕性?xún)?yōu)良的不銹鋼附加高的耐磨性，可不受設備條件限制用真空滲碳的方法實(shí)現。圖5是0Cr18Ni9經(jīng)1050℃、50min滲碳后的組織，層深0.2mm，硬度可達700～800HV。

3、模具的真空滲碳

　　為進(jìn)一步增加Cr12MoV鋼制模具表面層碳化物含量，以提高耐磨性能，可用真空滲碳的方法在高溫高碳勢條件下，實(shí)現高濃度滲碳。

四、真空碳氮共滲

1、碳氮共滲技術(shù)的進(jìn)展

　　氣體碳氮共滲是在20世紀60年代被大量研究，70年代得到廣泛使用的一項傳統熱處理技術(shù)。該技術(shù)由于氮的滲入使鋼的臨界點(diǎn)(A1、A3)下移，可以適當降低淬火溫度，提供了進(jìn)一步減少淬火變形的可能。氮的滲入還使淬透性增加，所以除合金鋼外，碳素鋼也可以實(shí)施碳氮共滲及油淬處理，從而提高硬度和表面耐磨性,這兩個(gè)特點(diǎn)也正是該技術(shù)被廣泛應用的原因。該技術(shù)使用的滲劑有：①氨氣+煤油。②吸熱式氣氛+富化氣+氨氣。③氮基氣氛+甲醇+丙烷+氨氣等。共滲機理:無(wú)論哪種滲劑中都有含氧介質(zhì)，C、N同時(shí)滲入金屬,金屬表面的化學(xué)反應、C和N向金屬內部的擴散是平衡式，從共滲結果看，滲層組織有晶界氧化層。

　　20世紀末到本世紀初以來(lái)，出現了一種預抽真空式碳氮共滲技術(shù)。從C、N來(lái)源和使用滲劑方法來(lái)看，共滲機理、結果和氣體碳氮共滲是一樣的，滲劑中仍有含氧介質(zhì)。滲層組織中仍有表面晶界氧化層，并無(wú)法杜絕。不過(guò)此法由于使用了真空排氣和密封技術(shù)，不僅工藝過(guò)程縮短，效率提高，滲劑使用量略有減少，而且晶界氧化層深度也有所減輕。據有關(guān)資料介紹可減少50%。

　　本世紀以來(lái)，H.Altena和F.Schrank介紹了往真空爐中通入丙烷、氨氣的新技術(shù)來(lái)提高合金鋼和非合金鋼的表面硬度，借助真空中工藝過(guò)程的控制來(lái)影響金屬表層碳、氮濃度及滲層的深度，說(shuō)明了碳、氮滲入的過(guò)程和影響因素，報道了關(guān)于設備的構想。2004年日本專(zhuān)利公開(kāi)，該專(zhuān)利提到的新技術(shù)特征：在真空爐內，工件被加熱至滲碳溫度，通入滲碳氣體進(jìn)行滲碳、擴散，然后降低溫度，再向真空狀態(tài)的爐內通入滲氮氣體，進(jìn)行滲氮。碳鋼或表面硬化鋼用這種新技術(shù)都可以得到要求的表面硬度、層深和韌性。該專(zhuān)利曾有應用于汽車(chē)零件批量生產(chǎn)的報道。

2、真空碳氮共滲的特點(diǎn)

　　在真空(低壓)碳氮共滲的滲劑(碳氫化合物+氨氣)中沒(méi)有含氧介質(zhì)，金屬表面的化學(xué)反應是在100～3000Pa的真空狀態(tài)下單向的分解反應，其中C和N的滲入是同時(shí)，或是C先、N后，說(shuō)法不一。但在碳氮共滲過(guò)程中，一旦停止氣源供應，表層的C繼續向金屬內部擴散，呈現非平衡態(tài);而N則從金屬表面溢出，呈現平衡態(tài)，或者說(shuō)此時(shí)已滲入金屬的N同時(shí)向金屬內部和表面兩個(gè)方向擴散，這些特點(diǎn)對工藝有重要影響。真空碳氮共滲除保留氣體碳氮共滲特點(diǎn)外，滲劑氣體中無(wú)含氧介質(zhì)，滲層組織中可以杜絕晶界氧化層，共滲壓力低，使用的滲劑氣體量少，廢氣排放量也大幅度減少。

五、真空碳氮共滲技術(shù)的應用

1、應用對象

　　適合使用的材質(zhì)：可用于低碳合金鋼(包括合金結構鋼、合金滲碳鋼)，也能用于廣泛使用的碳素鋼及粉末冶金鋼。對載荷大的零件建議使用中碳鋼、Cr鋼、Ni-Cr鋼、Ni-Cr-Mo鋼等。適用于要求耐磨性、疲勞強度為主的零件，如各種齒輪、軸、墊圈(片)、軸襯(套)齒圈(盤(pán))、油泵油嘴、滾柱、軸承蓋、鏈輪(條)、離合器、閘閥、銷(xiāo)釘、螺釘(母、桿)等。

2、應用實(shí)例

　　名稱(chēng)：精密級齒輪(5級);材質(zhì)：20CrMo。技術(shù)要求：硬化層深0.15～0.30mm;硬度(550±50)HV;內孔變形：≤0.01mm，不能形成喇叭口。

　　精密齒輪經(jīng)真空碳氮共滲熱處理后測量，滲層0.18～0.20mm，淬火硬度728～731HV，符合技術(shù)要求。表5列出了內孔測點(diǎn)1(下端)、測點(diǎn)2(上端)，見(jiàn)齒輪剖面圖(見(jiàn)圖7)，熱處理前后內徑測量值及變形量。同一個(gè)齒輪的測點(diǎn)1和測點(diǎn)2變形量差值≥0.01mm時(shí)，則該齒輪內孔呈喇叭口，為報廢品;反之則為合格品。所以從表1喇叭口一項可見(jiàn)，所測12件齒輪均為合格品。這足以說(shuō)明真空碳氮共滲熱處理變形小的優(yōu)越性。

3、真空碳氮共滲的技術(shù)裝備及選型

　　真空碳氮共滲后的冷卻可采用油冷。油冷時(shí)，表6列出了系列雙室真空滲碳及碳氮共滲油淬氣冷爐的各種類(lèi)型，可根據表6中加熱區尺寸和裝爐重量等選擇你所需要的型號。圖8是真空碳氮共滲設備及油淬后工件表面的狀況。

六、結語(yǔ)

　　乙炔真空滲碳的應用，使真空滲碳技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了新的階段，生產(chǎn)中炭黑明顯減少，維修周期拉長(cháng)，裝爐量增大，生產(chǎn)效率提高。與氣體碳氮共滲相比，真空碳氮共滲完全無(wú)氧的介入，滲層組織無(wú)晶介氧化層，適用于普通碳素鋼、合金鋼、粉末冶金件，熱處理變形比滲碳小，精度高。對機械行業(yè)量大面廣的基礎零部件，其使用壽命提高，節約國家資源，意義重大。真空碳氮共滲新技術(shù)需要的滲劑氣體少、廢氣的排放也大幅度地降低，既節約氣體、又清潔環(huán)保，有望能得到廣泛的應用。