CN1030663C - 一种钢的快速气体碳氮共渗工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属金属热处理领域，涉及的是钢件碳和其他元素的快速气体复合渗工艺，特别适合于碳氮共渗采用。现有的工艺周期长。本工艺是先将工件表面氧化生成一层均匀的、厚度小于1μ的氧化膜(Fe₃O₄)，再还原为初生铁，然后用常规方法进行共渗。由于初生铁具有强烈的吸附和催化作用，共渗得到显著加速。本发明既能获得高渗速，又对设备、渗剂、钢种无特殊要求，工艺简单、无污染。以碳氮共渗为例，本发明可缩短工艺周期56%。

Description

本发明属金属热处理领域，涉及的是钢件碳和其他元素的快速气体复合渗工艺。这里所谓碳和其他元素的复合渗，是指工件表面同时渗入碳以及另外一种或一种以上的元素，如碳氮共渗、碳氮硼共渗、碳氮硫共渗等，因此也可称为碳和其他元素的二元或多元共渗。

钢件经气体碳氮工渗参后，其疲劳强度、耐磨性、耐蚀性、回火稳定性都优于气体渗碳。气体碳氮共渗处理温度低、工件变形倾向小、晶粒不易长大，炉子和工具的使用寿命延长，并能直接淬火，工序简单。该工艺现已广泛用于各个工业部门，处理齿轮、轴类、紧固件等多种零件，取得良好效果。为了进一步提高渗层的综合机械性能，以满足零件在各种工件条件下的性能要求，近年来一些企业和研究机构还试验和采用了碳和其他元素共渗，特别是碳、氮和其他元素的三元或三元以上的共渗，如碳氮硼共渗、碳氮硫共渗等等，也取得了好的效果。另一方面，和其他化学热处理一样，处理工艺周期长、能耗高是这类包括碳氮共渗在内的复合渗的一大缺点。加速碳和其他元素的复合渗过程，特别是加速碳氮共渗过程，这一直是热处理工作者的努力目标。虽然人们曾千方百计地提出过许多方案，但终因受设备、材料及其他因素的制约而难以有效和广泛地采用，而且渗速提高不显著。本专利申请人发明的“钢件活化催渗气体快速渗碳法”(中国专利文献CN87100497)，使钢件表面先氧化再还原成初生铁，随后用常规方法气体渗碳，大大缩短了工艺周期，并且不须改变原有设备，具有显著经济效益。但由于碳氮共渗等复合渗，其工艺机制、渗层组织结构都有别于单一的渗碳，因此还必须进一步开发研究钢件活化催渗碳和其他元素、特别是碳和氮的气体复合渗生产工艺。

本发明的目的在于提供一种碳和其他元素，特别是碳和氮的快速气体复合渗工艺，要求不但能缩短工艺周期、产品质量符合标准要求，而且适用于普通气体共渗炉，不需特殊渗剂和特殊材料，无工业污染。

碳和其他元素的复合渗是通过化学渗剂的分解而获得活性共渗原子，括性原子为钢件表面所吸收后向工件内部扩散。催化剂能提高渗剂的分解速度，而本身的组成、数量和化学性质在反应前后保持不变。铁是最常见的催化剂之一。吸附在工件表面的共渗原子可进一步侵入铁的晶格而溶解，为工件表面所吸收。吸附可分为物理吸附和化学吸附两类。在钢的化学热处理中，主要是化学吸附。吸附是多相反应极其重要的一环。只有通过吸附才有可能使化学反应速度得到加快，也只有通过吸附，才有可能使催化剂发生作用；也正是由于吸附而使活性原子进一步向工件内部扩散成为可能。一般工件在共渗前都要除去油污和铁锈等附着物，这是比较容易做到的。实际上，即使仔细地除锈除油得到“洁净”的工件表面，也仍不同程度地存在一层钝化膜。钝化膜的存在，将阻碍渗剂的分解，活性原子的吸附、吸收、使共渗无法加速。对比试验表明，在同一炉同一位置的试样共渗后，表面为活化状态的试样，其渗层深度要比表面为“洁净”状态的试样高50％左右。如果采取工艺措施，使工件表面成为活化状态的初生铁，初生铁是渗剂分解的活泼触媒，同时由于工件表面的化学成份和组织结构发生改变，化学吸附和物理吸附都得到极大强化，能充分发挥作用。通过初生铁强烈的吸附及催化，有效地增加了工件表面活性原子浓度，加快了活性共渗原子的吸收，使工件表层得到较高的渗入元素浓度，以及很陡的浓度梯度，进而使扩散得到加速。这样复合渗的分解、吸收、扩散三个过程都得到了加速，整个共渗过程在较短时间内就可完成。

本发明的目的就是根据上述原理而实现的。本发明的工艺方法是先让工件表面氧化生成一层均匀的、厚度小于1μ的氧化膜(Fe₃O₄)，再还原为初生铁，然后按常规方法进行碳氮共渗等碳和其他元素的气体复合渗。

实施本发明，最好让工件的氧化、还原和共渗等几个阶段都在共渗炉内一次完成。因此对于气体碳氮共渗，本发明的生产工艺最好包括以下步骤：

1、工件装入共渗炉。

2、让炉内为氧化气氛、在温度逐渐上升的过程中，工件表面生成一层均匀的氧化膜(Fe₃O₄)。

要让炉内为氧化气氛，可视炉型、工件多少、工件表面残油等情况，采取工件入炉后立即关孔，通入小流量的渗碳剂或碳氮共渗的有机剂(如三乙醇胺等)的方法，靠装炉时带入的空气来实现，在有的情况下也可以不通入任何渗剂。当装炉量大且工件表面残油很多时，不需关孔，甚至还要打开炉盖。生成的氧化膜呈灰兰色半透明状态，由于厚度小于1μ，因而对工件尺寸精度和光洁度无任何影响。

3、使炉内由氧化气氛向还原气氛转变，工件表面的氧化膜被炉气中的氢等还原初生铁。

炉内由氧化气氛向还原气氛转变，一种可采取的方法是逐渐加大渗剂流量。流量的加大以排气孔无明显黑烟为宜。

4、使炉内气氛达到通常的碳氮共渗气氛，进行强渗。

由于初生铁强烈的吸收作用，工件表面不易产生渗剂原子的“堆积”现象，因而可采用较常规共渗大的渗剂用量进行强渗。强渗阶段的时间主要取决渗层深度及表面组织的要求，一般占工艺过程的1/3-1/2。

5、按常规方法进行扩散和出炉。

由于NH₃具有极强的还原性，在较低的温度下就能使氧化铁还原，过早通入氨气(常规渗法)将无法使工件获得活化状态的初生铁表面，因此通氨时间以氧化铁被还原为初生铁后，炉子到温时为好。由此，对于碳氮共渗本发明的最佳实施方案是：根据情况采用0-30滴煤油控制炉内氧化气氛，生成氧化膜后，加大煤油滴量使氧化膜还原成初生铁，炉子到温后通氨并大滴量通入煤油，强渗后减小渗剂流量进行扩散。

通常的气体碳氮共渗工艺，工件入炉后要通入大流量渗剂(大流量氨气或同时供给渗碳剂和氨气，但以氨为主，也有只加渗碳剂的)，以快速排除炉内空气，防止工件氧化和脱碳。认为若不是这样，则会造成共渗速度慢和渗层组织缺陷等不良后果。本发明改变了这一传统观念，采用了先氧化、再还原、后共渗的方法。只要控制得当，可使工艺周期比通常的碳氮共渗大幅度缩短，节约电力和渗剂，提高设备利用率和减小设备磨损，降低生产成本，同时质量合格率达100％，并可实现无碳化物共渗。和现有的方法相比，本发明的优点就在于既能保证获得高渗速和合格的产品质量，又对设备、渗剂、钢种无特殊要求，工艺过程简单、无污染。“新增物耗成本”为零，从而可获得显著经济效益。以碳氮共渗为例。采用本发明后，与常规工艺相比，工艺周期缩短50％，煤油节约55％，氨节约50％。

实施例：使用RJJ—60—9T井式气体渗碳炉进行气体快速碳氯共渗。渗剂为煤油和氨气，每100滴煤油为3.8毫升。工件为汽车齿轮，材料为20CrMnTi。渗层深度要求达0.6-0.8mm，表面硬度要求达HRC58—64。采用常规共渗温度。具体为860℃。工艺过程如下：

1、准备阶段：将表面除油后的工件装入料筐或夹具，各工件之间留有5-10毫米间隔。

2、氧化、还原、排气阶段：炉温升到860℃后，把装有工件的料筐或夹具放入炉内，关孔不使空气再进入。以每分钟4-20滴(视装炉量而调整，以下同)的流量滴入煤油。当工件表面达到所需的氧化程度时，将煤油滴量逐渐加大到每分钟80-150滴，使炉内空气逐渐排出，炉气由氧化气氛向还原气氛转变，工件表面的氧化膜被还原成活泼触媒初生铁。

3、强渗、扩散和降温出炉：炉温升到860℃时，以小流量通氨，并将煤油加大到每分钟150滴。再经过1.5小时之后，把氨气调整为每分钟3升，煤油调为每分钟120滴。再经过1小时，取样测得渗层深度已达0.6mm以上，此时把煤油调为每分钟60滴，让炉子降温至830℃并停止供氨。停氨15分钟后出炉油淬。按《汽车碳氮共渗齿轮金相检验标准》进行严格检验，产品的各项金相组织级别，表面硬度，心部硬度炉炉合格，并从未出现过渗层黑色组织。共渗时间比“两段碳氮共渗”工艺显著缩短：本发明工艺碳氮共渗3小时渗层深度可达0.77mm(按通常排气结束时开始计算共渗时间)，而“两段碳氮共渗”工艺须共渗4小时渗层深度才能达到0.6mm。还须说明的是“两段碳氮共渗”工艺与一般碳氮共渗工艺相比，其共渗时间已经缩短了40％左右(见《金属热处理》1988.12，河北工学院崔香等；两段碳氮共渗工艺及应用)。根据可查资料，“两段碳氮共渗工艺”为国内已公开的最快渗速气体碳氮共渗工艺。

Claims (2)

1.一种钢的快速气体碳氮共渗工艺，其特征在于：钢件入炉后关孔，往共渗炉内通入小于该类炉型常规工艺排气流量二分之一的渗碳剂或不通入任何渗剂，或不关孔甚至打开炉盖以形成氧化气氛，特钢件表面生成一层均匀的，厚度小于1μ的氧化膜(Fe₃O₄)后，使炉内由氧化气氛向还原气氛转变，氧化膜被还原成初生铁，再使炉内气氛达到通常的碳氮共渗气氛进行强渗，然后按常规方法进行扩散和出炉。

2、如权利要求1所述的共渗工艺，其特征在于：钢件入炉后，往炉内通人每分钟0-30滴的煤油控制氧化气氛，生成氧化膜后，加大煤油滴量使氧化膜还原为初生铁，炉子到温后通氨并大滴量通入煤油，强渗后减小渗剂流量进行扩散。