碳氮共渗技术的研究与应用

栏目主持李华翔　ｍ　ｍ　Ｉ热处理　■■●■■■■■●■■■●■■■■■●●●■－　碳氮共渗技术的研究与应用　大连亚明汽车部件股份有限公司　（辽宁１１６０４１）　付继业皮志勇　于淑珍　【摘要】　本文对碳氮共渗技术进行了研究与应用，并对其机理进行了分析。通过将工件在炉内共渗对　碳势和氮势设定，从而降低渗碳温度，增强工件表面对活性碳、氮原子的物理和化学吸附作用，提高碳原子　扩散系数和扩散速度，在短时间内提高工件的渗碳速度，减轻了工件的畸变。改善渗层的碳浓度梯度，使渗　层碳浓度变得平缓，淬火后获得良好的硬度梯度和金相组织，提高产品的内在质量和使用寿命。　汽车零部件如加速踏板支架的杠杆销子及举升门的　铰链轴，可通过碳氮共渗来提高其耐磨性、强度及疲劳　极限，以充分发挥材料的潜在性能。传统的气体渗碳技　术只是单纯的渗碳，该技术的不足是零件在渗碳期温度　高，渗速低，畸变大，且始终处于高碳势状态，表面极　杠杆销子碳氮共渗工艺曲线如图２所示。　易堆积大量的活性碳原子，影响渗碳和渗层浓度梯度分　布，虽经扩散阶段扩散，但工件难以获得良好的渗碳速　度和渗层浓度梯度分布。　直线滚花　图１加速杠杆销子　本文通过实践、研究和分析碳氮原子在渗层内传递　和扩散规律，开发了一种高温碳氮共渗新技术。该技术　的关键是将零件在渗碳内用很短的时间就能得到很薄的　碳氮共渗层，工件经淬火后能够获得良好的金相组织。　渗层中分布着碳氮的化合物，提高了工件的内在质量，　进而提高了工件的性能和使用寿命。　，９０Ｏ　７５０　８８０±ｌ０　４排气　强渗＼水淬　０　髫５００　２５０　ａｒｉｎ　４０　ｍｉｎ；＼　ｆ　Ｏ．７％　Ｏ．５％　１．１　０．５％　碳势　氮势　１．试验方法　试验采用加速踏板支架及杠杆总成的加速杠杆销子　时间／ｍｉｎ　８００～　１６０～　１６０℃　乙醇和尿素　ｌ６０℃　１　８Ｏ℃　饱和溶液　Ｏ　Ｏ　ｌ６Ｏ～ｌ８Ｏ　’煤油（滴／ｍｉｎ　（见图１），材料牌号Ｙ１２，符合ＧＢ５２１６规定。每个工　件质量０．００５ｋｇ，每炉４０００件。产品技术要求：有效硬　化层深度０．０７６—０．２５ｍｍ，表面硬度６６４～７６６Ｈ￣，心　图２杠杆销子碳氮共渗工艺曲线　部硬度３０—３５ＨＲＣ，金相组织符合ＱＣ／Ｔ　２６２－－１９９９金　相渗层碳标准。设备为ＲＱ２＿３５＿一９Ｄ滴注式气体渗碳　炉。渗碳剂为乙醇和煤油，用乙醇和尿素制成饱和溶　２．试验结果　表ｌ为传统气体渗碳工艺试验结果。表２为碳氮共　渗工艺试验结果。图３为碳氮共渗工艺碳氮化合物、马　氏体及残留奥氏体金相组织。　通过试验结果可以看出，传统气体渗碳工艺碳化物　液，重量配比为２０：１，其中乙醇为稀释剂，渗碳时滴量　为１６０～１８０滴／ｍｉｎ。煤油为富化气，渗碳时滴量为　１６０～１８０滴／ｍｉｎ；渗碳温度（８８０±１０）℃。　级别比较高，而碳氮共渗工艺碳化物级别比较低。在金　参磊　工热加工　塾　丛　箜堕呈　！　堡笠！　塑■　－　ＷＷＷ．ｍｅｔａ１ｗｏｒｋｉｎｇ　７９５０　ｃｏｍ　０糯　表１　传统气体渗碳工艺试验结果　金相组织（级）　试验　有效硬化层　表面硬度　心部硬度　碳化物　马氏体　残留　炉次　深度／ｍｍ　ＨＲＣ　ＨＲＣ　Ｋ　Ｍ　奥氏体　ｌ　０．２　５９　３４　２　４　４　２　０．２　６０　３６　３　４　４　３　Ｏ．２　５９　３５　４　４　４　４　Ｏ．２　６０　３３　３　４　４　表２碳氮共渗工艺试验结果　金相组织（级）　试验　有效硬化层　表面硬度　心部硬度　碳化物　马氏体　残留　炉次　深度／ｆｉｌｍ　ＨＲＣ　ＨＲＣ　Ｋ　Ｍ　奥氏体　ｌ　０．２　６２　４０　Ｉ　３　３　２　Ｏ．２　６３　３９　２　３　３　３　０．２　６３　４０　２　２　２　　１４　０．２　６３　４０　２　３　３　（ｂ）　图３　相显微镜下观察，可见传统气体渗碳工艺碳化物呈不规　则的大块状，渗碳层淬火组织为条状或较粗大马氏体，　残留奥氏体较多，碳氮共渗工艺碳氮化物呈规则性弥散　分布，渗层淬火组织为细针状马氏体加少量残留奥氏体，　囵呈　！　堡笙！　塑塾丝　堡　箜堂　参磊　工热加工　ＷＷＷ．ｍｅｔａＩＷＯｒｋｉｎｇＩ９５０．Ｃｏｍ　’　’’　而且传统气体渗碳工艺与碳氮共渗工艺要达到相同的渗　层深度，前者比后者多用２０ｒａｉｎ，温度比后者高４０％。　３．传统气体渗碳工艺及碳氮共渗工艺机理分析　无论采用何种渗碳方式，所用渗碳剂经高温裂解后　渗碳组分均应为ＣＯ或ｃＨ４，产生活性碳原子［Ｃ］。其　反应为：　２ｃ０一［Ｃ］＋ＣＯ２　２ｃ０—２［ｃ］＋０。　ＣＯ＋Ｈ２　［ｃ］＋Ｈ２０　ＣＨ４一［Ｃ］＋２Ｈ２　当富化气为煤油Ｃ　Ｈ：　＋　、Ｃ　Ｈ：　时，其反应为：　ｃ　Ｈ２　＋２　（ｎ＋１）Ｈ２＋ｎ［ｃ］　Ｃ　Ｈ２　ＮＨ２＋ｎ［Ｃ］　其中的活性碳原子［ｃ］吸附在工件表面，并沿相　界面往工件内扩散，形成一定碳浓度梯度的渗层。　工件渗碳的初期，在渗层形成之前，工件表面对活　性碳原子具有很强的吸附能力，此时渗碳速度主要取决　于表面反应和碳原子的扩散速度，碳原子由渗碳介质进　入工件比较容易且渗速较快。随着渗碳时间的延长，影　响渗碳速度的因素发生变化，即渗层深度的增加主要受　碳在钢中扩散速度的控制。此时，在工件表层逐渐形成　的渗碳层，变成了阻碍碳原子由渗碳介质继续向工件内　扩散的障碍。这是因为碳原子在碳化物中的扩散系数要　远小于在奥氏体中的扩散系数。因此要提高渗碳速度，　应设法提高碳原子在工件表面的吸附能力和在内部的扩　散速度，在碳化物中形成有利于碳原子进一步扩散的　通道。　传统的气体渗碳工艺，渗碳阶段时间较长，气氛中　活性碳原子浓度较高，吸附在工件表面，并随着渗碳时　间的延长，越靠近工件表面碳浓度越高，出现积碳现　象，不仅影响渗碳速度，还导致渗层深度内碳浓度分布　不均匀，只能延长渗碳扩散时间或提高渗碳温度。其结　果是，工件淬火后时常出现碳化物和马氏体级别超差，　获得的碳浓度梯度不理想，影响工件的使用性能。介质　碳势越高，渗层碳浓度梯度越陡，工件淬火后获得的硬　度梯度越不平缓。针对这一不足，碳氮共渗能有效解决　本工艺采用尿素充当活性氮原子［Ｎ］的来源。其尿素　分解反应为：　（下转第３Ｏ页）　（上接第２８页）　［ＮＨ２］：ＣＯ－＊ＣＯ＋２［Ｎ］＋２Ｈ　尿素分解产生的活性氮原子可以促使碳原子向工件　表面的渗入和扩散，以及缩短渗碳时间，而乙醇的作用　不足以形成碳势，起到稀释炉内气氛和低温排气的作　用，同时减少［ｃ］、［Ｎ］原子复合，维持较多的活性　碳原子数，且保持炉内碳势和氮势，并充当活性［Ｃ］、　图２　１８Ｃｒ２Ｎｉ４ＷＡ　图３　１８ＣｒＮｉＭｏ７－６　图４　４ＯＣｔ　３．注意事项　（１）所有晶粒度试样均需在热处理前进行预先磨　制，以减少热处理后的表面去除余量。热处理和侵蚀　时，应让制备好的表面充分暴露在气氛和腐蚀剂中，避　免接触到工装和容器壁。　（２）热处理后的待检测表面，只需轻微磨抛，刚刚　去除氧化皮后既可进行腐蚀检查。　（３）检查工件的实际晶粒度时，可参照与上述热处　理状态相近的推荐腐蚀方法进行晶粒度显示。ＭＷ　（２０１００５０２）　■龃呈　！　堡笪！旦塑塑丝　墼　簦堂　ＷＷＷ．ｍｅｔａｌｗｏｒｋｉｎｇ１　９５０．ｃｏｒｎ　参磊　工热加工　［Ｎ］原子载体气。乙醇分解反应为：　ｃ２Ｈ５０Ｈ一［ｃ］＋ＣＯ＋３Ｈ２　４．碳氮共渗时的操作要点　排气阶段由于工件装炉必将引起炉温降低，同时带　人大量空气，排气开始阶段因温度低，易形成碳黑，所　以煤油停滴，只滴人乙醇尿素饱和溶液。当炉温达到共　渗温度后，仍需继续排气保温３０—４０ｒａｉｎ。　新的渗碳炉、新的工夹具或久未使用的渗碳炉在启　用前必须先进行自身渗碳，即使正常生产情况下，停炉　再升温时，也应进行炉膛预渗。这一点至关重要，否则　易形成黑色组织及表面腐蚀，导致整炉工件报废。　另外，因乙醇尿素饱和溶液的滴入经常堵塞滴孔，　管道要经常用铁棍导通。　５．缺陷及防止措施　在淬火后的共渗组织中，有时出现的黑色组织经分　析主要是托氏体及少量的贝氏体，合金氧化物和碳氮化　合物造成黑色组织形成因素很多，主要有内氧化晶界氧　化和共渗层表面淬透性降低等。这种黑色组织对工件性　能影响很大。黑色组织的深度通常在０．０２～０．０３ｍｍ，　严重时可达０．２～０．３ｒａｍ。它的出现显著降低表面硬度　和疲劳强度，严重影响使用寿命。　６．结语　（１）应用该技术已生产３００炉次，产品质量稳定可　靠，且安全简便。　（２）此技术对得到薄层的碳氮共渗最为有利，具有　渗速快，畸变小，工艺稳定性高，可控性强，生产效率　高，安全等特点。　（３）能够获得平缓的渗层碳氮浓度梯度、硬度梯　度的渗层组织，有利于提高工件的内在质量和使用寿　命。　（４）此技术对于企业节能降耗，更具推广价值。　ＭＷ　（２０１００６１６）