CN102828143A - 工件高温渗碳工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工件渗碳工艺，其特征是：渗碳的前半段温度为980℃，后半段温度为1010℃。优点是：高温深层渗碳工艺能保证另件的热处理质量，其组织更加细化，工件性能完全可以和普通渗碳相媲美，比常规渗碳工艺可减少30-50%处理时间。进而可减少能量消耗（水、电、气）；减少废气排放（CO₂、CO）；降低消耗（甲醇、液化气）。对非本质细晶粒钢采用高温渗碳工艺，可两次加热重结晶淬火予以细化组织，采用本工艺进行渗碳，节省渗碳时间、降低能源消耗。

Description

工件高温渗碳工艺

技术领域

本发明属于零件的表面处理技术领域，特别是涉及一种工件高温渗碳工艺。

背景技术

保护环境、节约能源是热处理行业改进、推广的必行路线和面临的重要课题。金属零件渗碳淬火处理是量多、面广且耗能巨大的一种加工工艺，是热处理行业节能降耗改革的突破口之一。

高温渗碳如同其他化学热处理一样，渗碳由分解、吸附、扩散三过程所组成，随温度提高加快渗剂的分解速度，从而加快了活性碳原子的形成过程，提高了活性碳原子供给浓度，有助于渗碳进程。

活性碳原子被灼热工件表面吸收侵入晶体而溶解，碳在晶体中的溶解度以及活性碳原子向工件内部迁移（扩散）是渗碳过程的关键，即是渗碳过程控制因子。

如图1所示，碳原子在奥氏体中迁移趋向浓度均匀发生扩散，扩散速度是确定渗层厚度的决定性因素。渗碳过程中碳的扩散和温度、气氛组成，钢的化学成分、合金元素含量以及零件原始组织、晶格类型等因素有关，和浓度梯度、扩散方式有更加密切联系。渗碳初始阶段渗层浓度梯度不断提高，有利于扩散进行，但当渗层达到饱和时渗层浓度梯度随时间延长而逐步减小，按扩散定律，渗层厚度δ和时间t呈抛物线关系，如果碳势过高，超过奥氏体溶解度Cm线，将形成碳化物。

定义：

CP是热处理专用的计量单位，名称叫“碳势”，与其它值没有换算关系，无量纲，计量范围是0.0---2.0，例如：1.05CP.“碳势”是炉温、CO%、炉压的函数。

碳势定义：表征含碳气氛在一定温度下改变工件表面含碳量能力的参数（GB/T7232-1999）

“△Z^□”是氧化物的标准生成自由能。量纲KJ/mol/O₂

氧化物的标准生成自由能“△Z^□”定义：

各稳定的物质（金属元素、低价氧化物）在氧的分压为一大气压（0.1MPa）条件下，与1mol氧化合，而生成氧化物的自由能变化。

用该“△Z^□”值的大小表示物质对氧的亲和力的大小（也称为-氧位-的大小）

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种减少渗碳时间、降低能源消耗的工件渗碳工艺。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种工件渗碳工艺，其特征为：渗碳的前半段温度为980℃，后半段温度为1010℃。由于碳在γ-Fe中的溶解度随温度提高而加大，即在状态图中沿ES线变化，当时间、气氛相同条件下渗碳温度越高碳在奥氏体中溶解量越大，表面碳浓度越高，由于活性碳原子热震动由表面向内部迁移流越大，速度越快，使渗层加厚，如图1所示，同时渗层浓度梯度变缓，渗层与心部结合更加牢固，如图2所示。

扩散是控制渗碳最重要的控制因子，而温度又是影响扩散最突出因素，其关系可用扩散系数D与扩散激活能Arrhenius经验公式描述：

D=D₀e-^ED/RT

（D₀-频率因子；R-气体常数；ED-扩散激活能；T-绝对温度）

[C（γ-Fe）D0=0.07+0.06cm²/Min；ED=32000卡/克原子]

计算出温度从920℃提高到1000℃时扩散系数提高7倍以上，可见提高温度显著增大扩散系数，增加渗碳深度。

H.E Harris渗碳经验公式：

δ=K√tmm

表1是渗碳温度与K值的关系。当温度由930℃提高到1010℃时有效渗碳层提高一倍左右。由此可见温度是提高渗碳速度、增加渗层深度的突出因素。

表1渗碳温度与K值关系

扩散是渗碳过程的控制因子，温度对扩散影响最突出。

本发明还可以采用以下技术方案：

渗碳时将碳势高、低分为多段循环。

在加热温度为980℃时碳势为1.6和1.0矩形波循环，在加热温度为1010℃时，碳势为1.7和1.1矩形波循环。

渗碳过程中碳的扩散和温度、气氛组成，钢的化学成分、合金元素含量以及零件原始组织、晶格类型等因素有关，和浓度梯度、扩散方式有更加密切联系。渗碳初始阶段渗层浓度梯度不断提高，有利于扩散进行，但当渗层达到饱和时渗层浓度梯度随时间延长而逐步减小，按扩散定律，渗层δ和时间t呈抛物线关系，如果碳势过高超过奥氏体溶解度Cm线，将形成碳化物。

碳在γ-Fe中扩散属于间隙固溶体中溶质原子扩散，碳原子从一个间隙跳到另一个间隙保证涌道的通畅，使分解、吸收、扩散三个过程相适应有条不紊地进行，防止活性碳原子不足或过剩在通道口发生拥堵，欲速则不达。如果盲目加大某一过程，如一味长时间保持高CP值，反而适得其反渗速慢、组织不佳，出现大块或网状碳化物，或零件表面形成碳黑阻碍随后渗碳进程。

采用高温、分段、‘CP’循环控制渗碳法：将高温渗碳过程按温度分为高温、更高温（由于温度变换时间过长，一般不宜多段）两段，而将碳势高、低分为多段循环，高碳势段工件表面形成较高浓度梯度和一定层深后将碳势降低，使扩散涌道通畅，表面吸附能力恢复之后再次提高碳势，往复循环多次，这种渗碳法具有渗速快、表面碳浓度适当，渗层梯度平缓、组织细化、节省渗剂、节约能源。是渗碳理想工艺。每循环段高、低碳势时间比例经验公式：

T_C=T₁[(C_d-C₀)/(C_C-C₀)]

T_C-高碳势时间；T₁-分段总时间；C₀-原材料C%；C_C、C_d高低碳势“CP”值

采用可控气氛多用炉进行渗碳处理，内氧化现象目前仍未彻底根除，设备、工艺不断改进能够将内氧化控制在技术要求范围内。就同一设备同等工艺条件高温渗碳合金元素氧化趋势较低温渗碳低，由图5可知，随温度升高，△Z^□增大，各种金属的氧化愈难进行，金属对氧的亲和力减小，即合金元素氧化趋势降低。

在同样渗层情况下采用高温渗碳比一般渗碳晶粒并未明显长大，相反高温渗碳所用时间缩短抵消了高温的影响，特别是深层渗碳一般采用再次加热淬火，发生组织重结晶，使组织更加细化。高温渗碳零件抗拉强度、夏氏冲击韧性均无大变化，甚至有所提高。

高温渗碳，合金元素氧化趋势更小、组织更加细化。

原材料化学成分（质量分数%），碳、合金元素含量对高温渗碳影响及修正：

碳原子、合金元素对渗层表面质量有重大影响，和渗层残余奥氏体、网状碳化物存在与否有密切关系，同时也显著地影响心部组织与性能。碳含量高，渗层浓度梯度扩散通量[J=-D（dc/dx）]变小，降低了碳在扩散层深度，更重要是提高了钢的淬硬性和淬透性同样高温渗碳工艺，原材料碳的质量分数不同，其有效渗层和心部硬度差异很大，直接影响渗碳合格与否。

形成碳化物的合金元素（Cr、Mo、Ti、W等）使渗层浓度梯度陡峭，但也加大了碳在奥氏体内扩散速度。而非碳化物形成合金元素（Ni、Co等）则相反。绝大部分合金元素都使共析点含碳量降低，增加有效硬化层深度，特别是能增加碳在马氏体中过饱和溶解所造成的强烈固溶强化，大大提高渗层硬度，虽用含碳量评审（金相法）渗层显薄（和碳钢比）但有效(硬度法）渗层厚。

根据合金元素含量对碳势的修正经验公式：

$\mathrm{LOgK}=\%\mathrm{Si}\×0.055-\%\mathrm{Mn}\×0.013-\%\mathrm{Cr}\×0.040+\%\mathrm{Ni}\×0.014-\%\mathrm{Mo}\×0.013$

(原定)‘CP_Y’值/K＝(新设定)‘CP_X’值。

由于渗碳钢含碳及合金元素不同，渗后淬火工艺参数及时修正极为重要。

附图说明

图1温度对渗层表面碳浓度、渗层深度的影响示意图；

图2温度对渗层浓度梯度的影响

图3溶质原子间隙式扩散

图4碳循环示意图；

图5合金元素氧化物的△Z^□-T图；

图6采用本发明处理的销套工件尺寸图；

图7是对图6所示的工件采用RJJ-105-9井式渗碳炉进行渗碳工艺曲线，RJJ-105-9井式渗碳炉是国家部颁通用标准设备型号，是本领域里通用的规范；

图8是对图6所示的工件在普通气氛控制下用UBE-600型多用炉渗碳工艺曲线，UBE-600型多用炉是日本国东方公司，企业规定型号；

图9是采用图8所示工艺的表面组织金相图；

图10是采用图8所示工艺的心部组织金相图；

图11是实施例1所示的高温渗碳工艺曲线图；

图12是实施例1的高温渗碳工艺碳势实际运行记录曲线；

图13是实施例1工件装炉方式的示意图；

图14是渗碳缓冷表面渗层的金相图；

图15高温渗碳后淬火、回火工艺曲线

图16是采用图15所示工艺的淬火、回火后工件的表面组织金相图；

图17是采用图15所示工艺的淬火、回火后工件的心部组织金相图

图18是对实施例1进行渗碳淬火处理的工艺曲线图

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

实施例1：

以某销套的渗碳处理为例，销套尺寸如图6所示，工件的热处理技术要求见表2

表2工件的热处理技术要求

依据高温、分段、碳势循环可大大提高渗碳速度，缩短深层渗碳时间机理，将温度分980℃、1010℃两段，第一段980℃之后再升到1010℃第二段（经多次实践证明先高温1010℃再降到980℃渗碳方式不理想，这里不作赘述）。高温状态（950-1000℃）下奥氏体最大饱和溶碳量数学公式：CPS=0.0034T-1.85计算

980℃时：CP_s＝0.0034*980-1.85＝1.482

1010℃时：CP_s＝0.0034*1010-1.85＝1.582

再考虑材质含Cr、Mn等合金元素对碳势设定的影响，按经验公式加以修正，我们设定980℃时：CP1.6→1.0循环；1010℃时：CP1.7→1.1循环，但渗碳后期及降温段碳势更低以消除块状、网状碳化物出现。具体工艺如图11所示，渗碳工艺的碳势控制如图12所示。

工件装炉时立放，层与层、件与件，相互隔开使炉膛气氛循环均匀保证渗碳一致性。如图13所示。

检测结果见下表3。缓冷组织见图14，过共层碳化物呈细小粒状。

表3工件的检测结果

高温渗碳后热处理：

为使工件有效渗层（表面至HV550或HV513深度）、表面及心部硬度、金相组织（马氏体、残奥，表面非马，心部铁素体，碳化物量及形态等）符合技术要求；防止变形超差、消除碳化物；细化晶粒、提高心部韧性，根据原材料碳及合金元素含量（在标准规定上、中、下限），决定渗后淬火工艺。

经检测其结果见表4，金相组织见图16-17，表5是工件热处理前后变形尺寸的检测结果。

表4淬火后工件的检测结果

注：批次1(原才料含碳高)心部硬度超差

表5工件的变形检测

对比例1：

采用RJJ-105-9井式渗碳炉工艺，工艺曲线如图7所示，包括以下步骤：

①渗碳：有效加热时间20Hr，占炉总时间22.5Hr

②转UBE-600型多用炉1次淬火：结果：马氏体（+A’）5级

③UBE-600型多用炉2次淬火：结果：马氏体（+A’）2级

④回火

结果如下：

渗层mm/HV550-OD    2.78mm；

渗层mm/HV550-ID    2.72mm；

表面硬度HRC        HRC59-61。

对比例2：

采用普通气氛控制下UBE-600型多用炉，工艺曲线如图8所示，金相组织图如图9和图10所示。

结果如下：

马氏体：2级；           心部铁素体：4级；

渗层mm/HV550-OD：2.58mm;渗层mm/HV550-ID：2.62mm；

表面硬度HRC：HRC58-61

实施例与2个对比例的结果对比：

表6普通渗碳和高温渗碳的检测结果对比

通过多炉次生产实践证明：

①同等渗层条件，高温渗碳较普通渗碳时间可节省1/3-1/2，大大节约能源。见表6中普通渗碳和高温渗碳比较。

②销套高温渗碳淬火内径缩小，外径变形微小，通过冷、热加工工艺协调完全可保证热处理变形符合要求。

③原材料成分，特别是碳含量对高温渗碳结果影响较大。渗碳生产前必须对材料冶炼炉号及材料成分进行确认，据以适当调整渗碳，淬火工艺参数。

结论：

对于如图6所示的销套（原材料20CrMnTi含碳、合金元素量在中限）高温渗碳淬火工艺方案：

当合金含量在标准范围中限（如：0.19-0.20%C、1..1%Cr、1.0%Mn），是采用如图18所示的工艺曲线。

高温深层渗碳工艺能保证另件的热处理质量，其组织更加细化，工件性能完全可以和普通渗碳相媲美，比常规渗碳工艺可减少30-50%处理时间。因为减少处理时间，所以可减少能量消耗（水、电、气）；减少废气排放（CO₂、CO）；降低消耗（甲醇、液化气）。对非本质细晶粒钢采用高温渗碳工艺，可两次加热重结晶淬火予以细化组织。

凡是依据本发明的技术实质所作出的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明的技术方案的范畴。

Claims (3)

1.一种工件高温渗碳工艺，其特征为：渗碳的前半段温度为980℃，后半段温度为1010℃。

2.如权利要求1所述的工件渗碳工艺，其特征在于：渗碳时将碳势高、低分为多段循环。

3.如权利要求2所述的工件渗碳工艺，其特征为：在加热温度为980℃时碳势为1.6和1.0矩形波循环，在加热温度为1010℃时，碳势为1.7和1.1矩形波循环。

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