20CrMnH的稀土共渗工艺对渗碳动力学的影响研究

曹利民，马 李，赵先锐

（1.东安汽车动力股份有限公司205车间，黑龙江 哈尔滨 150066；2.台州学院 物理与电子工程学院，浙江 台州 318000）

20CrMnH的稀土共渗工艺对渗碳动力学的影响研究

曹利民1，马 李2，赵先锐2

（1.东安汽车动力股份有限公司205车间，黑龙江 哈尔滨 150066；2.台州学院 物理与电子工程学院，浙江 台州 318000）

对20CrMoH材料汽车齿轮在周期式可控气氛多用炉中进行了稀土渗碳工艺的研究。通过实验考察了添加稀土对渗碳层深及提高碳势对渗碳速度的影响。实验结果表明：采用880℃～900℃，以氮气加甲醇为载体气氛的稀土渗碳工艺中，稀土加入量为5%时渗碳效果最佳，使碳在奥氏体中的扩散系数较普通渗碳提高了1.25～1.35倍；稀土渗碳过程中，提高碳势能稍增加渗碳层厚度，但效果并不明显。

汽车齿轮；稀土渗碳；碳势

1 引言

作为强化齿轮机械性能的手段之一，渗碳己成为最常用的化学热处理方法之一。但总体来看，渗碳仍是一种生产周期长，能源消耗大的工艺方法［1-2］。由于碳在渗入金属表面后，在金属表面形成碳化物，其形态和数量不易控制，而且在渗碳过程中还存在马氏体和残余奥氏体级别超差等现象，因此提高渗速，缩短生产周期并控制好渗碳层的组织、减小工件变形具有十分重要的意义。利用稀土渗碳过程中的催渗作用和微合金化作用，能够加快化学热处理过程的速度，降低温度，延长了备使用寿命［3-5］，并能提高零件的综合力学性能［6-8］。

尽管稀土渗碳与传统渗碳比有很大的优势，但由于针对汽车齿轮在周期式可控气氛多作炉中进行稀土渗碳工艺尚不成熟，所以到目前为止，稀土渗碳在20 CrMoH和20 CrMnTi两种材料汽车齿轮实际生产中的应用不是很广泛。为此，本文从渗碳动力学的角度考察了稀土共渗对工艺的影响。

2 实验

2.1 实验材料及设备

本试验所选材料为等温正火状态的20 CrMoH钢，根据XPS测得的化学成分如表1所示。

采用奥地利爱协林工业炉工程有限公司的VKES/4-Ⅱ周期式可控气氛多用炉，配有美国索菲斯氧探头和英国EURO公司的2604型可编程碳势控制仪。

渗碳剂和载气分别丙酮裂解气和氮气+甲醇。

表1 20CrMoH钢的化学成分（wt%）Table 1 Chemical composition of steel 20CrMoH（wt%）

2.2 实验方法

影响渗碳淬火的主要工艺参数有温度、时间及碳势。齿轮轴渗碳淬火采用的设备是爱协林周期式气体渗碳炉VKES5/Ⅱ型，选用的淬火介质是好富顿公司MT355分级淬火油，淬火油温设定为120℃。工艺试验分为880℃，900℃、920℃三个强渗温度，强渗碳势选择1.0%，1.08%，1.15%三个碳势来进行，淬火温度定为（830±10）℃，淬火保温碳势选择0.85%-0.90%，回火温度选择低温回火（180±10）℃，研究汽车齿轮在周期可控气氛多用炉中渗碳淬火后的渗层深度、渗层组织、碳化物的数量大小和形态、马氏体和残余奥氏体的级别及工件变形的影响，以及工件表面硬度的均匀性及心部硬度要求，最终确定最为合适的渗碳工艺。稀土渗碳工艺过程通过在氮甲醇渗碳气氛中加入稀土元素实现。

渗碳层深采用上海第二光学仪器厂4XB型显微镜进行分析，按金相法在100倍的光学显微镜下观察退火试样的金相组织，测量从表面到心部的垂直距离得到层深。

采用如表2所示的工艺进行试验，对每个工艺的各个阶段的试样和随炉试样进行金相层深和有效硬化层深的测定，从而确定稀土的催渗效果，稀土添加含量为4%、5%、8%、11%。

表2 测定稀土的催渗效果工艺表Table 2 Heat treatment process table for measuring the effect about RE carburizing

3 结果与讨论

3.1 最佳稀土加入量的确定

20CrMoH钢在920℃、碳势1.08%条件下不同稀土加入量渗层增厚渗碳动力学曲线如图1所示。

图1 20CrMoH钢920℃不同稀土加入量渗层增厚渗碳动力学曲线Fig.1 Carburizing kinetics curve of carburizing depth treated with the different amount of RE addition in steel 20CrMoH at 920℃

由图1可见，在一定稀土加入量下，渗层深度随渗碳时间延长而增加，近似于抛物线规律变化。结果表明，稀土掺杂基本不改变渗碳过程动力学规律。当稀土催渗剂的体积比小于5%时，渗碳速度随稀土催渗剂的增加而增加，尤其在4%到5%的阶段渗速提高明显。以渗碳60min层深计算得到：添加4%的稀土时渗层深度比常规渗碳增加了12.5%；添加5%的稀土时渗层深度比常规渗碳提高了25%比添加4%的稀土时的渗层深度增加了11%。体积比大于7%时，渗碳速度随稀土催渗剂的不但不增加反而出现下降的情况。但渗碳速度下降的趋势比较平缓。同样以渗碳60min的层深计算得到：添加8%的稀土时渗碳层深比添加7%稀土时减少了3%；添加11%的稀土时渗碳层深比添加5%的稀土时减少了7%，比添加8%的稀土时减少了3%；添加8%和11%的稀土时渗碳层深比传统渗碳分别增加了21%和17%。由此可见当添加稀土催渗剂的体积比为5%时，渗碳速度达到最快。

3.2 添加稀土对渗碳层深的影响

表3给出了稀土掺杂前后的渗碳层深的变化对比关系，其中稀土的添加量为4%。

表3 不同工艺渗碳层深Table 4 Carburizing depth of different processes

由表3可见，在温度不变的情况下，无论有无稀土添加，渗碳层深度均随时间延长而增加；在相同时间内无论有无稀土添加，渗碳层深度都随温度的升高而增加；这是因为渗碳过程可以看作是垂直于工件表面，由表面向心部的方向为正方向的一维非稳态扩散，服从菲克第二定律：

式中C—体积浓度，g/cm2；t—扩散时间，s；D—扩散系数，cm2/s；x—距离渗碳表面的垂直距离，cm。菲克定律中的扩散系数为

式中D0—扩散常数或频率因子，cm2/s；Q—扩散激活能，J/mol；R—理想气体常数；T—绝对温度。

（2）式中的D0和Q随成分和结构而变，但与温度无关，一般情况下看成是常数；而扩散系数与温度呈指数关系，T对D有强烈的影响。温度越高，原子的能量越大，越容易迁移，因此扩散系数越大。在相同工艺条件下，添加稀土比不添加稀土时的渗碳层深度明显增厚；这是因为稀土的加入引起了点阵畸变、改变了碳原子的迁移率，从而改变了扩散激活能，是扩散系数增大。从扩散的微观机制分析：在一维扩散中扩散系数为：

式中Г—间隙原子的跳动频率；α—垂直于扩散方向的两个相邻晶面的面间距。

由于α是个常数，而稀土元素的加入必然引起大量的点阵畸变，从而使间隙原子的跳动频率Г增大，从而使扩散系数D增大。由文献［9］，渗碳过程的层深与时间的抛物线规律为：

式中δ—渗层深度，mm；t—渗碳时间，h；K—比例常数；D—碳的扩散系数，mm2/h。

一般认为稀土元素对常数K值影响不大，所以当渗碳工艺完全相同的情况下，由式3-4可以得到

式中DRE—对应于不加稀土渗碳的D在相同工艺条件下加稀土的扩散系数；δRE—对应于不加稀土渗碳的δ在相同工艺条件下加稀土的层深。

3.3 提高碳势对渗碳速度的影响

不同时间900℃加稀土超高碳势渗碳层深与900℃加稀土常规碳势渗碳层深的对比如图2所示。

由图2可以看出，加稀土提高碳势渗碳并没有显著提高渗碳速度。以最后的随炉试样计算超高碳势渗碳较常规碳势渗碳渗层增加了5%，共0.1 mm。而且渗层的增加主要是前3 h增加的结果，3 h以后高碳势渗碳层深的增加与常规渗碳层深的增加曲线基本平行，即3 h以后高碳势相对于常规碳势深速不再提高。

图2 20CrMoH钢900℃有无稀土添加渗层增厚动力学曲线Fig.2 The kinetics curve of carburizing depth treated with the addition of RE carburizing or not in steel 20CrMoH at 900℃

一般来说，扩散系数是浓度的函数。单相区扩散时，碳在奥氏体中的扩散系数随浓度升高而增大，因此在一定范围内提高碳势增大碳浓度梯度可以提高渗碳速度。但是当碳势提高到可以在渗碳工件表层产生碳化物时，以后的渗碳必然要受到这些碳化物的影响。而影响的大小与碳化物的大小、数量、形态和分布有关系，渗碳过程中的强渗阶段渗碳气氛中的碳势略高于工件表面的碳浓度。当在渗碳温度下把碳势调节到高于此温度下碳在γ-Fe中的溶解度时，在工件表层可能出现碳化物，并且随碳势的升高碳化物数量增多，体积变大，形态变差。当把碳势提高到本次试验用碳势时，由于碳势提高，在渗碳初期在工件表面沿晶界形成大量的网状碳化物，而晶界又是间隙碳原子在奥氏体中扩散的主要通道，这样就会有相当大的一部分碳原子在扩散过程中受到前期碳化物的阻碍，而被前期碳化物吸附，使碳化物长大。前期碳化物是一种动态的碳化物，一方面靠近表层的一侧由于碳浓度过饱和碳化物吸附碳原子的速度高于碳化物溶解的速度而使自己长大，另一方面靠近心部的一侧由于基体碳浓度稍低，一部分碳化物中的碳原子会在浓度梯度的作用下挣脱碳化物的束缚溶解到基体当中，继续向深层扩散。总体来说，由于渗碳气氛中的碳浓度梯度的存在，使得前期碳化物不断地长大，并向工件内部扩散。这样渗到工件深层的碳原子会经历间隙原子→碳化物→间隙原子的周期循环过程，有的碳原子甚至会经历多个这样的周期循环。越过碳化物区靠近工件心部的基体中的碳浓度是饱和的碳浓度，从此深度开始碳原子的扩散又变成了普通的在单相区扩散，在这个区域内符合单相区扩散的一切规律。所以，提高碳势渗碳的强渗阶段渗碳速度应该是前期碳化物向心部扩散长大的速度加上外层为饱和碳浓度的情况下碳原子在单相奥氏体区的扩散速度。

实际上，一方面高浓度稀土渗碳过程钢表面层中形成合金碳化物，降低了碳的扩散速率，使渗碳层变薄；另一方面，提高碳势导致渗碳表层奥氏体中碳的化学位梯度或碳的浓度梯度增加，可以加快碳的扩散。其结果是，稀土渗碳过程中提高碳势稍增加渗碳层厚度，但不明显。

4 结论

（1）20CrMoH的汽车齿轮采用880℃～900℃，以氮气+甲醇为载体气氛的稀土渗碳工艺中，稀土加入量为5%时渗碳效果最佳。

（2）高浓度稀土渗碳过程中，钢表面层中形成合金碳化物，降低了碳的扩散速率，使渗碳层变薄；提高碳势导致渗碳表层奥氏体中碳的化学位梯度或碳的浓度梯度增加，可以加快碳的扩散。两种过程的影响导致稀土渗碳过程中提高碳势将稍增加渗碳层厚度，但程度不明显。

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Study of Effect of Rare Earth Co-permeation for 20CrMnH on Kinetic of Gas Carburization

CAO Li-min1，MA Li2，ZHAO Xian-rui2
（1.Harbin Dong-an Auto Engine Co.,LTD,Harbin 150066,China;2.School of Physics and Electronics Engineering,Taizhou University,Taizhou 318000,China）

RE carburizing technology on the automotive gear of steel 20CrMoH was studied in muti-purpose chamber furnace with protective-gas atmospheres in this paper. The influence of RE addition on the depth of carburized layer and the influence of carbon potential increase on carburizing speed were analyzed by experiments.The results show that the pervasion modulus of carbon is(1.25-1.35)times faster than the general carburizing in austenite with the optimal addition of 5%RE under(880-920)℃in the atmosphere of which nitrogen and methyl alcohol are as carrier.However,during the course of RE carburizing,increase of carbon potential can increase the carburized-case depth to obscure degree.

auto gear;RE carburizing;carbon potential

周小莉）

TG156.8

A

1672-3708（2010）03-0028-06

2010-04-19；

2010-05-05

曹利民（1975- ），男，黑龙江哈尔滨人，硕士，工程师，主要从事材料制备及热处理工艺方面的研究。