CN1234903C - 齿轮气体碳氮共渗热处理中的内氧化组织消除方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及齿轮气体碳氮共渗热处理中的内氧化组织消除方法，属金属材料表面化学热处理技术领域。本方法采用在气体渗碳剂煤油中，加入6～8%的CCl4，使共渗炉内的CCl4分解出新生的Cl2，使已形成的合金元素内氧化物还原；在渗碳剂氨气入共渗炉前，先经过硅胶瓶或桶及粒状氯化钙瓶或桶过滤，吸附掉氨气中的残留水蒸气，再经过5A分子筛瓶或桶吸附掉氨气中的残留氧；在靠近炉顶位置的点火管周围缠绕带瓷环的电阻丝，靠电阻丝的付带加热，使排气中的NH4Cl不冷凝结块等措施实现内氧化组织的消除。本发明与现有技术相比，具有在不增加共渗成本的前提下，不仅能消出气体CN共渗过程中的内氧化组织，而且操作方便，共渗速度有所提高等优点。
Description
技术领域：
本发明涉及一种齿轮气体碳氮共渗热处理中内氧化组织的消除方法，属金属材料的表面化学热处理技术领域
背景技术：
齿轮或其他机器零件经过气体CN共渗处理后，表层硬度升高，抗磨损和抗疲劳寿命大幅度增加，但是由20CrMnTi或20CrMo等合金钢做成的齿轮，因入炉的渗剂(氨气、煤油)含有残留水蒸气或残氧，或者因炉内气氛的氧压(PCO2，PH2O)过高，均会使渗层中的Cr、Ti、Mn等对氧亲合力高的合金元素内氧化，这将使渗层的结构中出现脆性的内氧化黑带，这种脆性的内氧化带一旦出现，将使CN共渗层的结构“弱化”，齿轮或其他机器零件的抗磨性和抗疲劳连续工作寿命降低，例如文献[1]提供的试验数据(表1)表明了内氧化组织一旦出现，对CN共渗齿轮弯曲疲劳寿命产生有害的影响。
表1内氧化组织(黑网和黑带)对CN共渗齿轮弯曲疲劳寿命的影响
| 黑带级数 | 黑网级数 | 平均弯曲疲劳寿命 | 寿命下降％ |
| 0 | 0 | 1.5×105 | 0％ |
| 0～2 | 6～7 | 1.01×105 | 51％ |
| 3～4 | 4～7 | (0.5～0.39)×105 | 67～74％ |
从表1的试验结果可以看出，少量内氧化组织的出现，对CN共渗齿轮的连续工作寿命均会产生显著的有害影响，使齿轮的弯曲疲劳寿命下降51～74％。
此外，国内外还曾采用过共渗后再加磨削的办法，磨去有内氧化的渗层以消除内氧化层的影响[2、3]，但这种办法是不理想的，因为在磨去内氧化层的同时，也磨去了渗层，使渗层主要部分减薄，从而渗层的有利作用未得到充分发挥，另外共渗后再磨削还增加了齿轮及其他共渗零件的加工成本。
至今，未见与本发明相同技术的公开报道。
参考文献
[1]长春汽车研究所：“金属热处理”，1980年第7期
[2]“MиOM“，1971年No.12(俄文)
[3]“Met.Trans.”(A).1979年No.11
[4]张根元、蔡益新等：“碳氮共渗时内氧化的热力学分析”，金属热处理，2001年No.5
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术之不足，而提供一种齿轮气体碳氮共渗热处理中内氧化组织的消除方法。
针对气体CN共渗中出现内氧化组织的原因在于共渗炉内气氛中氧压过高的原因，本发明采取如下措施消除内氧化组织：
(1)、气体CN共渗所用的氨气，入炉前先经过如下的过滤处理：
上述过滤处理工序中，硅胶和氯化钙主要起过滤掉氨气中水份的作用，而5A分子筛(市场购买)主要起过滤掉氨气中残留氧的作用；
(2)、为使内氧化组织完全不出现，除了在共渗炉内制造C、N共渗的气氛外，还应付加地制造还原气氛，使已形成的合金元素内氧化物还原。为此，需在渗碳剂(煤油)中添加还原剂CCl4，添加量为6～8％，采用CCl4作还原剂的优点是在共渗炉的高温下，CCl4不仅能离解出活性氯，使内氧化物还原，而且CCl4中离解出的碳，还可作为渗碳剂。CCl4存在时，在共渗炉内所发生的化学反应如下：
在共渗过程中，若因氧压过高而按反应(1)和(2)形成合金元素的内氧化物时，则因有CCl4和NH3的存在，CCl4和NH3将按反应式(3)、(4)、(5)分解出新生还原剂Cl2和HCl两种气体，所生成的内氧化物将按反应(6)和(7)转化成氯化物，氯化物再按反应(8)转化成合金元素的氮化物。
(3)、在煤油中加入6到8％的CCl4时，即使是在煤油滴注口与氨气进口分开的情况下，在炉内温度(860～880℃)下，仍有部分未分解完的NH3，此残留NH3将与按反应式(5)生成的HCl气体化合生成NH4Cl气体，所生成的NH4Cl在炉内的高温下为气态，但在共渗废气离开炉腔后进入点火管时，由于温度下降，而使部分的NH4Cl气体冷凝成固体粉末，使点火管(排气管)堵塞。为克服这一问题，在接近炉顶的点火管部位，缠绕上5圈套有小瓷环的电阻丝(瓷环的作用是使电阻丝与点火管绝缘)，通过电阻丝对点火管的加热，能防止NH4Cl气体在点火管内冷凝成固体。
本发明与现有技术相比，具有在不增加共渗成本的前提下，不仅能消出气体CN共渗过程中的内氧化组织，而且操作方便，共渗速度有所提高等优点。
附图说明：
图1为齿轮气体CN共渗的执行工艺及操作参数图。
图2为实施例1按本发明方法进行CN共渗后得到的共渗层中无内氧化的观测结果(400倍放大)。
图3为20CrMnTi齿轮未按本发明方法进行CN共渗后得到的共渗层观测结果(400倍放大)。
图4为实施例2按本发明方法进行CN共渗后得到的共渗层中无内氧化的观测结果(400倍放大)。
具体实施方式：
实施例1：
在30KW的井式气体渗碳炉中，装入60公斤重的20CrMnTi钢齿轮，进行气体CN共渗表面化学处理，为了防止渗层中生成Cr、Mn、Ti合金元素的内氧化物，在渗碳剂(煤油)中加入8％的工业纯CCl4。进入井式炉中的氨气先经过硅胶桶(内装硅胶10公斤)和粒状CaCl2桶(内装工业CaCl28公斤)过滤气体，以脱除氨气中的水蒸气。然后再经过5A分子筛桶(内装5A分子筛8公斤)过滤气体，以脱去气体中的残留氧。为了防止因CCl4加入而产生NH4Cl冷凝固体阻堵点火管，在点火管上缠绕5圈套瓷环的加热电阻丝。并按图1所示气体CN共渗工艺图进行共渗处理。整个共渗过程分为升温、1小时排气、4小时共渗、1小时扩散、降温均热等五个过程，各过程中所控制的温度、煤油(内含CCl4)和氨气的加入量见图1中所示。均热降温结速后，停止进氨气、开启炉盖，用吊车取出齿轮装料斗，浸入(50％柴油+50％机油)的混合油中淬火，淬火后在箱式炉中在180℃下回火1.5小时。回火并待齿轮冷却后从齿根部切割，取出金相分析试样，进行渗层深度和内氧化情况的分析测试，测试结果表明，渗层深度达0.4-0,.5mm，渗层内无内氧化组织如图2所示。为了比较，按图1的共渗工艺操作，但不采取本发明的方法，所得出的共渗齿轮的齿根部内氧化组织观测结果如图3，从图3可见，在0.5mm的CN共渗层中，在0.1到0.15mm的表层内充满了连贯的内氧化组织(即图3中的黑色带状物和点状物)。
实施例2：
在30KW的井式气体渗碳中，装入80公斤的20CrMo钢齿轮，进行气体CN共渗操作，为防止齿轮的渗层内出现内氧化组织，在渗碳剂内加入6％的工业CCl4，与实施例1相同，进入炉内的氨气，先经过硅胶桶和粒状CaCl2桶过滤除去水蒸气，再经过5A分子筛桶过滤气体，脱除残氧。为了防止因煤油加入CCl4而产生NH4Cl固体粉末堵塞点火管，在近炉顶上部的点火管位置缠绕5圈套瓷环的电阻丝，其加热功率为1.5KW。CN共渗的操作工艺仍按图1进行，即加热、排气、共渗、扩散、均热降温所采用的温度，煤油(含CCl4)和氨气的加入量以及淬火与回火的操作均同实施例1，所采用的时间为排气1小时、共渗5小时、扩散1小时。所得的结果为CN共渗层深度达0.5～0.6mm，渗层内无明显内氧化组织如图4所示。
Claims (1)
1、齿轮气体碳氮共渗热处理中内氧化组织的消除方法，其特征在于采用如下措施：
1.1在气体渗碳剂煤油中，加入6～8％的CCl4，在共渗炉内的CCl4分解出新生的Cl2，使已形成的合金元素内氧化物还原；
1.2在渗碳剂氨气入共渗炉前，先经过硅胶瓶或桶及粒状氯化钙瓶或桶过滤，吸附掉氨气中的残留水蒸汽，再经过5A分子筛瓶或桶吸附掉氨气中的残留氧；
1.3在靠近共渗炉顶位置的点火管周围缠绕带瓷环的电阻丝，靠电阻丝的付带加热，使排气中的NH4Cl不冷凝结块。
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