抛丸预处理对渗碳速率影响的研究

李 阳，王梦梦，王元栋

(陕西法士特齿轮有限责任公司，陕西 西安 710119)

渗碳淬火是提高齿轮齿面强度的重要途径。渗碳过程可分解为三个阶段：渗碳剂的分解、活性碳原子的吸收、碳原子的扩散。主要有以下几方面因素影响渗碳速度：1)渗碳温度；2)碳势；3)表面活性与吸附面积。温度越高，渗碳速率越快，但追求过高的渗碳温度一方面会造成设备寿命的减少，另一方面可能会引起奥氏体晶粒的长大。碳势值不应超过相应温度的饱和碳浓度，否则会在表面积碳形成碳黑以致阻渗。表面活性可通过其它方法改变。若采用一定的机械手段或者化学手段，提高表面活性或者增加吸附面积，可能会提高渗碳速度。

文献[1-2]表明通过机械手段形变预处理提高零件表面活性会提高渗氮速率。陈磊等[3]研究表明通过机械研磨的表面纳米化处理有利于提高零件的渗氮速度，其研究结果表明增压喷丸处理后的软氮化工艺时间由10 h缩减到3 h；孙建等研究表明表面形变处理后有利于提高渗层的厚度和韧性[4-5]；魏悠悠采用分子动力学模拟研究表明表面形变处理有利于提高碳原子和氮原子的扩散系数，减少扩散时间[6]；超音速微粒轰击技术对20Cr钢表面处理后渗氮表层组织细化，相同渗氮工艺条件下扩散层增加，表面硬度增加[7]。表面形变处理在渗氮领域已经有较多研究，但对于渗碳处理，表面形变预处理是否会促进渗碳速率尚待研究。本文通过热处理试验，得出渗碳前抛丸处理与渗碳速率的关系。

1 试验方案

本试验对8620RH材料齿轮切块，见图1。在进行抛丸形变预处理后再渗碳处理，研究抛丸形变处理对渗碳速率的影响。设定了四种工艺，研究在不同设备和工艺下渗碳前抛丸预处理对渗碳速率的影响。四种工艺A、B、C、D如表1、表2所示，A、B工艺为多用炉工艺，C、D为环形炉工艺。

图1 齿轮试块Fig.1 The gear specimen

表1 工艺A和工艺B参数

表2 工艺C和工艺D参数

形变预处理采用抛丸工艺，抛丸设备为QZG-S1000悬链通过式抛丸机；渗碳设备为AICHELIN箱式多用炉和AICHELIN 42工位环型炉；采用TUKON2500显微硬度计检测硬化层深；采用Alm金相显微镜检测金相组织。

丸粒选取钢丝切丸，抛丸电流强度为20 A。1#、4#、7#和10#试样为对比组试样，其余均为实验组试样，实验组抛丸时间为8 min。将试样放在热处理料盘中间位置，对所有试样进行渗碳淬火→清洗→回火处理，回火工艺均为185 ℃×3 h。采用线切割截取试样齿宽1/2中截面，检测1/2齿高处的硬化层深和金相组织。硬化层深检测按标准GB/T 9450要求测定，为了减小检测误差，每个试样测两次。试验方案及硬化层深结果见表3。

2 试验结果分析

2.1 硬化层深

多用炉：A工艺的1#～3#试样，抛丸后渗碳淬火的2#和3#试样硬化层深平均值比1#试样分别增加0.33和0.285 mm，增幅分别为39.2%和33.3%。B工艺的4#～6#试样，抛丸后渗碳淬火5#和6#试样比4#试样分别增加0.22和0.24 mm，增幅分别为15.7%和14.1%。该结果表明热处理前进行抛丸处理能够提高渗碳速率；渗碳时间较短时，促进作用较大，促进作用随着时间的增加而减弱。这是因为层深较深的零件，其层深的增加的限制要素是碳原子往更深层的扩散，而影响内部扩散的主导因素是温度和时间，表面碳原子的浓度已经不再是主导因素。因此，层深超过1.6 mm后，热处理前抛丸对渗碳速率的促进作用减小。

表3 试验方案及硬化层深结果

环形炉：C工艺的7#～9#试样，抛丸后渗碳淬火的8#和9#试样硬化层深平均值比7#试样分别增加0.11和0.135 mm，增幅分别为12.4%和15.2%。D工艺的10#～12#试样，抛丸后渗碳淬火11#和12#试样比10#试样分别增加0.075和0.09 mm，增幅分别为5.0%和5.9%。该结果同样表明，渗碳前抛丸可以提高渗碳速率，但随着渗碳时间的延长促进作用减弱。

图2 (a)A、C工艺硬化层深；(b)B、D工艺硬化层深Fig.2 (a)The hardened-depth of process A and C；(b)The hardened-depth of process B and D

对比图2中A、C两种工艺的对比组1#和7#试样，硬化层深接近，均在0.85～0.90 mm范围内；但工艺A实验组的硬化层深比工艺C的深0.15 mm。与之类似，工艺B、D的对比组4#和10#试样的硬化层深接近，但工艺B实验组5#、6#的硬化层深比11#和12#的深约0.15 mm。表明进行抛丸预处理后，多用炉渗碳速率的提升幅度大于环形炉。

抛丸形变预处理可增加渗碳速率，且增加幅度随着硬化层深的增加而减小，多用炉处理的零件的增幅较环形炉大。环形炉带有预氧化设备，在渗碳前对表面进行380 ℃×2 h的预氧化，使得表面活化，增加活性碳原子的吸附速率。表面抛丸的作用也是提高表面活性碳原子的吸附速率，而在一定的碳势条件下，两者的作用类似。因此对预氧化的零件渗碳前抛丸处理引起的渗碳速率增幅很小。

2.2 硬度梯度

对回火试样进行切割制样，采用显微硬度计检测硬度梯度，如图3所示。为了减小测量误差，其硬度值为3个齿的齿面1/2齿高处硬度值的平均值。

多用炉渗碳试样的硬度梯度见图3(a)，在表面碳浓度较高的过共析层，渗碳前抛丸与未抛丸试样的硬度值接近，无显著差异。在过渡区，在距离表面0.4～1.2 mm范围内，随着深度的增加，同一位置的硬度差值从30 HV逐渐增加到100 HV。B工艺所得层深较深的4#～6#试样，在距离表面0.9～1.6 mm范围内，同一位置的硬度差值从10 HV逐渐增加到60 HV。而硬度增加的主要原因是马氏体中碳浓度的增加，这表明抛丸处理也提高了过渡层的含碳量。

环形炉渗碳淬火处理试样的硬度，如图3(b)所示。在表面过共析层，两者的硬度无显著差异。在过渡区，同一深度处，预氧化前进行抛丸处理的零件的硬度值比未进行抛丸处理的零件的硬度值略高10～30 HV。这说明了在此种工艺下抛丸预处理可以促进渗碳速率，但提升作用较小。

2.3 金相分析

1#、2#试样的表面渗层金相组织如图4所示。图中黑色组织为马氏体，白色组织为残余奥氏体，根据企业标准TES003中对渗碳淬火金相组织的评级图谱，1#和2#试样的残余奥氏体分别为B级和C级。2#试样中残余奥氏体的含量略高于1#试样，即渗碳前抛丸预处理的金相组织中的残余奥氏体含量高。

在相同的淬火温度和淬火工艺条件下，残余奥氏体的含量主要与渗碳层的含碳量有关，含碳量越高，残余奥氏体的含量越高。渗碳前抛丸处理的组织中残余奥氏体含量略高于未抛丸预处理的零件也是含碳量较高的一种体现。在碳含量大于共析成分碳含量时，该碳原子都处于固溶于奥氏体状态，碳含量的增加引起C曲线的右移，马氏体转变Ms点和Mf点都下降，残余奥氏体含量增加。所以抛丸预处理后残余奥氏体含量略有所增加。

(a)多用炉；(b) 环形炉图3 渗碳试样硬度梯度(a)multi purpose furnace; (b) annular furnaceFig.3 The hardness gradient of carburized samples

(a)1# 试样； (b)2#试样图4 试样表面金相组织(a)1# sample； (b)2# sampleFig.4 Microstructure of sample surface

3 结论

1)抛丸形变预处理可增加渗碳速率，提高渗碳层中的含碳量，从而增加渗碳层的硬度；

2)抛丸形变预处理对渗碳速率的提升幅度随着渗碳层深增加而减小；

3)对于进行预氧化处理的零件，抛丸预处理会提高渗碳速率，但对渗碳速率提升的幅度较低。