高温快速渗碳在控制渗碳淬火工件变形中的应用

李美兰　袁进　凌勤　武苏丰

（江苏大学基础工程训练基地，江苏镇江　212013）

　　【摘　要】本文以预处理工艺、渗碳工艺等方面对工艺的优化进行论述，指出优化工艺是依靠先进生产设备及现代技术理论结合而取得的。

　　【关键词】锻造余热；预处理；碳势；活化能

　　1　预处理的控制

　　众所周知奥氏体晶粒大小、均匀度直接影响到随后冷却过程中所转变组织形态的粗细均匀，在加热时奥氏体晶粒长大是一种晶界能推动的受扩散控制的热激活过程，这个过程包含两个方面：

　　（1）奥氏体晶粒与均匀性以及晶界的迁移；（2）第二相的溶解与析出对晶界迁移的驱动力，后者是晶界迁移的阻力，在过去几年的生产中我们曾偏重于认为合金结构钢的奥氏体实际晶粒度的大小、均匀、检验的合格率主要取决于钢中合金元素在晶界的钉扎效果，认为原正火工艺是由于没有解决好第二相质点对奥氏体一晶界的钉扎作用才造成不合格组织，使渗碳加热过程中起始晶粒度不均匀并产生局部晶粒异常长大，也就是通常称之为混晶，这种混晶组织是极易促使渗后淬火后工件变形。这是在作为渗碳工艺操作前传统的正火工艺所消除不了的组织缺陷。

　　这是工件厚薄不等、冷速不同，薄面风冷速快，产生粒状贝氏体。厚断面的部位冷速慢会产生成分偏析，铁素体多数在含P或含Mn的区域析出，而相邻区域造成碳原子的富集转变成珠光体，因此形成了铁素体和珠光体相互交错的带状组织，使热处理变形加大，也更难控制。这样处理后，能防止带状组织超差和产生粒状贝氏体，使金相组织和硬度均匀，达到减少渗碳淬火后齿轮的变形，提高了产品质量和生产率。

　　2　在渗碳工艺中进行快速渗并达到控制产生变形的因素

　　除特殊渗碳工艺外，一般认为渗层中存在碳化物是不好的，目前许多工业发达国家热处理人员有意识地采用各种不同的措施，避免碳化物形成，通常碳化物可分三种A。球状或块状碳化物B。网状碳化物C。表面薄膜状碳化物或片状碳化物（这类碳化物的形成是渗碳件在高碳势气氛中冷而形成的）后两种碳化物的出现尤其是网状碳化物，必须重新进行热处理操作消除。渗碳件在渗碳气氛中缓慢的加热方式（因装炉量大和没有采用阶梯式加热）通过Acl达到奥氏体化相变温度范围时，就会在表面形成球状碳化物，这些碳化物趋向于分散，它可能分布在铁素体的晶界面上，又可能分布在基体的晶粒内，当新形成的奥氏体中存在有不溶的合金碳化物给出的适当晶核或具有局部富集的形成碳化物的元素如Cr-Mn-Mo等，尤其是在渗碳气氛一中加热更易产生碳化物。通过多次在如下条件下进行渗碳试验A。在中性气氛中将20CrMnTi，20CrMnMo，20CrMo，20Cr2Ni4A，20CrNi2Mo，18Cr2Ni4WA钢的试样加热到渗碳温度930℃然后再在渗碳气氛中渗碳，并没有碳化物的产生B。当把以上的试样直接在渗碳气氛中加热到930℃渗碳温度就产生碳化物C。若在800℃的渗碳气氛中保温后再使用活性气氛就形成块状碳化物，为了进一步证实这种观点，我们采用了试样的一边用不锈钢套保护起来，试样另一边暴露，再把这个试样放入试样孔，加热到渗碳温度的整个过程中，暴露部分是在高于材料含碳量的碳势中加热完成奥氏体化，而被保护起来的部分是在相当于工件自身含碳量的状态下完成奥氏体化。当开始渗碳程序时，把试样上的不锈钢套去掉，当整个渗碳工艺结束后，试样没被保护的一端金相组织是马氏体+球状（块状少量）碳化物+残余奥氏体，而没被保护的一端是马氏体+残余奥氏体，没有碳化物出现。这就是说在整个渗碳操作过程中形成碳化物有两种形式：一种是含碳量比平衡溶解极限（ACM线）小时形成的碳化物，另一种含碳不超过平衡含碳量。由于钢中含有降低共析含碳量的合金元素，如常见的Ti，V，Mo，Cr，Mn等不同程度的倾向于减少奥氏体中的溶解度，使之奥氏体中碳饱和而生成碳化物。随着碳化物的形成，它们将从固容体中吸取碳，致使固容体中将缺少这些元素，结果在碳化物附近的淬透性局部下降，随后淬火中形成了合金元素含量不同的马氏体，并伴有非马氏体的显微组织不同。含不同合金元素马氏体的膨胀系数不同，马氏体与非马氏体的比容不同，这就必然使齿轮工件渗碳淬火后变形，而且游离碳化物将明显地影响渗碳表面的残余应力分布，尤其是基体材料中的合金元素转移到碳化物中时更是如此。可以设想碳化物的颗粒数量越多、越大小不均匀，那么得到的表层残余压应力将大大减小，这是造成齿轮淬火后变形的关键因素之一。

　　从上述可得出制定渗碳淬火工艺时，如果能做到消除或减少到Z小程度出现球状碳化物，就能控制齿轮工件的变形，因此制定工艺时需要考虑三个主要因素A。在Acl以上加热的速度B。各段气氛中的碳势控制C。钢的化学成分及碳势的选择。个因素在Ac1以上加热的速度控制必须使工件的表层和心部（这里是指在炉膛中各位置的工件而不是指某一单个工件）温差减少到Z小，趋于零，为加快表层与心部的奥氏体相变作准备，更重要的是要使相变产物以球状奥氏体为主，能获得均匀细小奥氏体起始晶粒，避免了直接升温使表层和心部温差过大，造成相变不等，时差过长就会形成相变产物，以针状奥氏体或针状奥氏体为主并有部分球状奥氏体，这样极易产生奥氏体的晶粒异常长大，而且不均匀。阶梯等温加热工艺。

　　深层渗碳本来是一个缓慢的过程，零件在930℃的温度下一般要保持很长的时间，因此只要保持平均条件与调整点的条件没有大的或显著的偏差，零件就不可能受到有害的影响。同样与计划在炉中的时间差几分钟一般也不大要紧。

　　只有渗碳和扩散时间应当按得到一定渗层深度所需时间来计算，但处理的总时间则不然，预热时间对渗层是无关紧要的，因为在预热阶段，采用中性气氛，没有进行渗碳，扩散结束后的任何附加时间一般讲也是无关紧要的，从扩散温度到淬火温度的降温冷却时间可能发生的任何扩散都不会显著提高渗层深度。

　　有关扩散时的碳势控制比强渗段更显重要。在所谓扩散周期的持续时间，使气氛保持在相当Z终要求的表面含碳量的碳势。由于处在碳活度较低的环境中，扩散周期实际上就是表面层部分脱碳的时间。决不能认为渗碳周期时所增加的碳，都会在扩散周期内向内扩散增碳。而是一部分向内扩散，另一部分则通过脱碳反应回到气氛中。

　　在渗碳加热整个工艺中，采用多碳势梯度，有双重目的的减少。通常可能在淬火时形成的残余奥氏体的量，增加有效渗层，并使性能均匀，但是深层渗碳，渗碳后产生渗层与心部的晶粒粗大，直接淬火后的马氏体组织常在6-8级，这种组织在渗齿轮中是属不合格。因此必须经过高温正火来细化晶粒，然后再进行重新加热淬火。

　　3　结论

　　从多年来反复的在实际生产中的探索和对不同钢种的反复试验和实际生产中的应用，解决了渗碳淬火后直接淬火，不再进行机械加工的齿轮的齿形、齿向、齿距、花键、基孔、内孔、齿柄花键变形的控制问题。

　　参考文献

　　[1][日本]大和久重雄.钢的淬透性:测定方法和应用.1979，8:139.

　　[2]陈再良，阎承沛.先进热处理制造技术.2002，3:37.

来源：《科技信息》2011年29期