渗碳工艺简介

陈玉茹

(长春汽车工业高等专科学校，吉林 长春 130013)

渗碳工艺简介

陈玉茹

(长春汽车工业高等专科学校，吉林 长春 130013)

渗碳是机械零件常用的一种热处理工艺，它可以使渗碳淬火的工件表面获得很高的硬度和耐磨程度，内部还具有较高的韧性。本文以箱式炉工艺为例，简要介绍变速箱齿轮渗碳热处理工艺，并对其进行简要分析。

渗碳；淬火；工艺分析

1 一般工艺流程简介

渗碳是金属表面处理的一种，采用渗碳的多为低碳钢或低合金钢，具体方法是将工件置入具有活性的渗碳介质中，加热到900～950℃的单相奥氏体区，保温足够时间后，使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层，从而使表层具有高碳含量，但心部仍保持原有成分。这是金属材料常见的一种热处理工艺，它可以使渗过碳的工件表面获得很高的硬度，提高其耐磨程度。

（1）防渗：对零件进行防渗处理，一般采用涂料或防渗螺母。并非所有零件都需要进行防渗处理，对于不需要防渗处理的零件，直接进入预氧化工序。

需要防渗处理的位置一般为螺纹或者后续需要焊接处。碳含量过高或硬度过高会影响螺纹强度或焊缝韧性，而且容易产生焊接裂纹。

（2）预氧化、脱脂：预氧化温度在400℃左右，去除表面油脂提高表面活性，为渗碳工序提供清洁表面。脱脂温度一般不超过450℃，超过450℃则工件表面会产生氧化皮影响精度。虽然该工序名为脱脂，其主要目的其实是预热工件，使工件升温至渗碳温度这一过程相对平稳，减小升温温度梯度。

（3）加热：加热温度一般为880℃，零件在该工序完全奥氏体化。由于奥氏体晶体结构为FCC，C在其中处于八面体间隙，碳溶解度增大。

（4）渗碳（强渗）：渗碳温度为920～930℃，碳势控制在1.15%C。渗碳时间一般为200min。渗碳气氛主要成分为CO、CO2、N2，三种气体比例为20%、40%、40%。除此以外气氛中还含有少量的H2O和CH4。

（5）扩散：扩散温度为900～910℃，此阶段C从零件表面进入零件内部。碳势控制在0.85%C，扩散时间为80min。渗碳和扩散时间比例一般为3:1。

（6）降扩：降扩阶段温度降低，扩散继续进行。此时温度降至850℃，为淬火做好准备。

（7）淬火：淬火工序采用油淬，油温一般为120℃，有时采用60～70℃。气淬介质为N2。

（8）清洗：清洗工序主要是浸洗、喷淋、烘干，去除表面油脂，为回火工序提供洁净表面。清洗不彻底，油污在回火时雾化，可能造成回火炉爆炸等危险。

（9）回火：回火采用低温回火，温度一般为180℃、190℃、200℃。

（10）喷丸：喷丸一般为清理喷丸，能够有效清理零件表面。钢丸尺寸为0.8～1.0mm。如零件有磨齿需求，则在磨齿后进行强力喷丸。表面压应力要求为900MPa以上，有时强力喷丸难以达到要求。

（11）退火：个别零件螺纹处需进行感应退火。

（12）校直：校直工序针对轴类零件，采用自动校直机，消除淬火变形。

（13）磷化：桥齿轮机加后进行磷化处理，主要目的是防锈，磷化层厚度在0.001mm左右。最重要参数为强渗温度与时间，渗层深度的80%到90%都是在强渗阶段完成。扩散目的是使零件表面碳浓度与内部碳浓度差减小，此时表面的碳向内外两个方向扩散。

2 具体工艺与技术参数

2.1 测量及控制

切件检测部位：齿轮类零件及带齿轴类（不包含花键）以齿宽中部横截面节圆处为准；无齿轴类零件以最小轴颈处为准。

试块：每炉必须带一件试块用于检测，试块不合格时，切一件零件进行复检，最终以实件检测结果为准；

（1）齿轮类试块为与装炉零件相同材料、相同批次、相同炉号，至少包含三齿的试块。

（2）齿块入炉前不得因受热而产生组织改变的现象发生。

（3）若装炉零件为轴类，可以使用与装炉零件相同材料、相同批次、相同炉号的TP试样。

淬火油检测项目：运动粘度、闪点、水含量、冷却性能等指标；检测频次：1次/3月；反应措施：换油或调整。

表1中淬火时序号1和2两工序时间之和为淬火

表1 淬火工艺参数

总时间。这一时间和不小于15分钟，2号工序时关闭淬火油搅拌电机，降低冷却速度。3号工序时工件出油，此时淬火已经完成，等待淬火油回流至淬火油槽，工艺文件中所写气淬并非如真空炉采用高压氮气冷却。

2.2 工艺分析

零件材料为淬透性较好的20CrMnTiH，且箱齿零件体积相对不大，因此采用了冷却速度慢的好富顿355淬火油进行淬火。在保证零件淬火能够获得足够硬度，满足质量要求的情况下，采用冷速慢的淬火油能够降低淬火变形并减小裂纹倾向性，有助于获得质量更佳的产品。

整个渗碳过程中温度以及碳势随时间的变化如图1所示。可以注意到，温度上升阶段碳势变化应滞后于温度的变化。因为只有当温度上升至渗碳温度，零件内外温度一致时，组织才能完全转变为碳溶解度大的奥氏体，此后增加碳势才能进行渗碳。在温度下降以后，强渗阶段结束，进入扩散阶段时，碳势和温度同步下降。这样能够获得最佳渗碳效果，同时避免气体的浪费。

图1 渗碳温度、碳势-时间曲线

3 结论

渗碳工艺是汽车制造及机械工程加工中常用的工艺，目前技术比较成熟，使用箱式炉易于获得符合技术条件要求的合格零件。

[1]谢玲珍，王忠，王孟，冯显磊.渗碳件表面碳含量分析[J].金属加工(热加工)，2016(15).

[2]颜昌标. 20Cr渗碳工艺研究[J].机械工程师，2016(07).

[3]赵文军，刘国强，王金栋，蔡红，曹明宇.20Cr2Ni4A齿轮钢高温渗碳工艺[J].金属热处理，2015(12).

TG156.81

A

1671-0711（2016）10（下）-0094-02