机械零件深层渗碳工艺的优化

魏久祥

摘要：在国民经济高速发展的背景下，国内也有着更多的中型与重型机械设备需求，尤其是对机械和设备中的关键零部件要求越来越高。需要机械零部件在工程作业中拥有更高的寿命、抗疲劳强度、抗冲击疲劳强度、硬度等指标。而深层渗碳工艺作为一种应用广泛且实用的化学热处理技术得到普遍认可。但在深层渗碳工艺中还存在着许多问题，本文以20CrMnTi钢轴套和重载齿轮为引例，简述深层渗碳工艺技术中存在的问题和关键技术工艺优化。

关键词：深层渗碳;20CrMnTi钢;重载齿轮;热处理

中图分类号：TG162.75                                 文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）07-0034-02

1  绪论

深层渗碳作为一种应用广泛的表面热处理技术，具有改善金属材料的性能，延长机械零部件使用寿命，提高机械零件耐磨性、抗冲击性等使用性能。所以，在工程作业中对关键零部件进行渗碳处理是必不可少的工艺。

2  深層渗碳零件选择与工艺分析

2.1 重载齿轮渗碳淬火热处理工艺概述

渗碳重载齿轮材料按承载能力可分为：一般承载能力用渗碳钢和高承载能力用渗碳钢;按淬透性可分为：低、中、高淬透性渗碳钢。重载齿轮的渗碳淬火热处理工艺包括：预备热处理、渗碳淬火、回火和喷丸强化等过程。通常技术要求为表面硬度、心部硬度、硬化层深度、表面含碳量、显微组织和畸变等。

2.2 重载齿轮深层渗碳工艺分析

为了增加齿轮的有效硬化层深度，应将渗碳处理时的温度控制在880～900℃，加速渗碳介质的分解使碳溶解在奥氏体，有效提高渗碳层的深度。在渗碳处理前，我们需要把温度升高到500℃来除去渗碳件表面残留的油脂类污垢，降低齿轮表面因高温氧化而脱碳并且减少其表面非马氏体组织的形成。之后，将温度升高到800℃，我们将这一过程称为透烧，其目的是为了降低加热过程工件的热应力，减少齿轮形变并为高温加热做准备。

渗碳后对工件进行淬火是必要环节，而淬火温度的高低也会对材料组织性能产生直接作用。我们将淬火温度一般定为810℃，淬火油温保持在60℃，这样才能获得性能良好且不易形变和开裂的工件。在选取淬火冷却介质时，我们应选择高温时冷却速度快，低温时冷却速度慢的介质，这样能保证不因热应力而引起工件变形。

丙酮在渗碳过程中能分解大量的碳和气体，使炉内碳势升高，加快炉内气氛与工件表层碳原子的转换，使表层渗碳速度加快。

3  深层渗碳工艺优化

3.1 深层渗碳前期准备及注意事项

3.1.1 渗碳钢的选择

渗碳钢的碳含量通常为0.1～0.25%，例如15，20钢，因为它的心部具有淬火回火后足够的延展性和韧性。重负载零件的碳含量0.30～0.25%，提高心部的强度，高碳钢一般不需要渗碳。

对受载重、截面大的零件，需采用12Cr2Ni4、20Cr、18GrNiW、18GrMnTi等合金渗碳钢，此类低碳合金钢有着较好的淬透性，能够让心部强度加大，以满足各类服役条件。

渗碳用钢，需要对钢材质量加以注意，渗碳用钢不得有严重的带状组织，如果有带状组织存在，会使得钢材产生各向异性，低碳钢板要是存在严重带状组织，用以制作出的摩擦片进行渗碳会出现渗碳层含碳不均匀的状况。同时，碳中不得存在粗大的夹杂物，更不得在渗碳层表面分布，不然有较大可能造成应力集中，产生裂纹。

3.1.2 渗碳技术指标的制定

3.1.2.1 渗碳层的含碳量

一般渗碳层表面含碳量以0.8～1.0%为最佳。过高有着较大可能性有网状碳化物产生，使工件的抗接触疲劳能力下降。但是，也存在少数传动部件，有着0.85～0.95%的要求，以使得过剩的碳化物减少，避免渗碳表层发生剥落。

3.1.2.2 渗碳层深度

渗碳层深度，是在渗碳后自钢件表面至具有0.45～0.50%碳浓度的位置的距离，在淬火后钢件的硬度为40～45HRC，相当半马氏体组织，一般是由钢件表面测至有产生机体组织止。零件渗碳层深度的确定，需要考量服役条件、用途及尺寸。通常情形下，如果能够对渗碳层含碳量有正确控制，渗碳层深度的加大，会使得零件的机械性能增强，譬如：疲劳强度、抗弯强度等。但是，对渗碳层深度的过度追求，不仅是对能源的浪费，且对机械性能的提升也不具有显著作用。反之会降低零件的抗冲击能力。但是，也不能太浅，不然会导致表面疲劳脱离。

3.1.2.3 渗碳硬化层的组织

在隐晶马氏体的基体上，有着细小碳化物颗粒与少量残余奥氏体均布，此就是渗碳硬化层的组织。实验显示：此类组织有着较好的耐磨性与韧性，特别是与网状碳化物相比较，具有更高的抗接触磨损疲劳性能。对零件有着较高强度要求的，心部组织应为低碳马氏体。需要注意的是，在心部组织中，不得有游离铁素体存在，特别是网状分布的。原因是此类组织会严重影响到强度，特别是弯曲疲劳强度。对心部硬度的要求一般在20～45HRC，重载荷零件（合金钢）应在30HRC以上。

为实现碳化物网络的消除，有着以下两种方法：第一，对碳势进行控制，使得渗碳层具有在1.05%以下的含碳量;第二，在渗碳后，直接进行淬火。过往较多应用的二次淬火尽管可使得渗碳层的质量提高，但是不足是能源消耗更大，且会使得变形加大。

3.1.3 渗碳时应注意的问题

3.1.3.1 非渗碳面问题

部分零件的渗碳仅涉及到表面的某一部分，其它部位无需渗碳。面对此种状况，需要结合实情予以解决，应用较多的方法有：

加大加工余量：也就是对无需渗碳的部分，预留一定的余量待后续加工，一般为渗碳层厚度的1.5～2倍左右。

镀铜：对工件部位无需渗碳的，进行镀铜处理，镀层厚度为0.03～0.05mm。

不管是加大余量，或者是镀铜，均是有效办法。

涂层：使用水玻璃调和细沙、耐火粘土或抗滲碳涂料、石棉粉，获得膏状涂料，并在非渗碳面上涂抹，然后烘干。内孔或杆无需渗碳的零件，可用有使用水玻璃进行浸泡的石棉绳缠在杆的非渗碳面上或塞在孔内，烘干即可。

堵孔：不渗碳的深孔或小孔，可在孔中填砂和氧化铁皮混合物，然后用水泥、石棉粉与水玻璃混合物堵塞。

3.1.3.2 磨削余量问题

在渗碳淬火后，零件需磨削加工的，对磨削余量需要加以注意。如果有过大的磨削余量，那么就会磨削掉表面硬度最高的渗碳硬化层，仅留下硬度较低的，导致零件耐磨性较差，使用寿命过短;如果留的余量过小，那么就无法磨削掉表层可能存在的网状碳化物，使得产生麻点，或者是表层脱落。对需磨削的渗碳零件，需要结合表层含碳量与渗层深度，对余量问题予以解决。

3.1.3.3 碳浓度梯度问题

在渗碳件表面至中心的方向上，碳浓度在单位距离的变化量，就是碳浓度梯度。我们一般要求碳浓度梯度要小，这就需要精准的控制渗碳时温度、时间、介质和气氛碳势。采用离子渗碳与真空渗碳，有着较小的碳浓度梯度;对碳浓度梯度，气体渗碳借由丙酮（或煤油）与CH3OH的滴量进行调节实现控制，但是控制难度较大。

3.2 深层渗碳优化工艺方案制定

3.2.1 炉温检测与控制

从渗透深度和均匀炉温之间的关系，当炉温度均匀性为±10℃，渗碳层深度变化±5.7%，当达到±7℃的温度均匀性，渗碳层深度±2.9%的偏差，如果温度均匀性的程度进一步提高±5℃，渗碳层深度误差±2.8%，与炉温均匀度±10℃提升至±7℃相比改善作用不明显。且在大中型渗碳工艺中，对渗碳炉和电控系统要求较高。从缩短炉内均匀温度和经济可行性两方面综合考虑，对大型渗碳炉炉温均匀温度一般控制在±7℃。

渗碳温度选择：一般来说，深层渗碳中提高渗碳温度，能缩短渗碳时间。但过高的温度也不行，我们一般把渗碳温度提高到930±10℃，这样既防止晶粒粗化和工件变形，同时对渗碳炉也起到了一定保护作用。但随着新的渗碳技术和新的渗碳设备的提出，像高温渗碳，其渗碳时的温度就可达到1050℃。所以，根据自身要求和渗碳条件选择合适的渗碳工艺。

3.2.2 碳浓度及其分布、碳化物及其规定

①碳浓度。碳具有耐磨而脆的特性，所以，其作用在零件上也是有相同的效果，当零件表层含碳量高时，其耐磨性增加，而当零件（尤其是齿轮等零件）受冲击载荷时，其寿命会因弯曲疲劳强度这一“短板”而降低。但过高的含碳量也不行，含碳量过高会加大成本并且零件渗碳后的使用性能也不会良好，所以我们规定像重载齿轮零件表面碳浓度一般为0.8～1.15%。

②碳浓度分布。应使过渡层区域的碳浓度梯度下降变得缓慢一些，这样既能提高渗碳件心部的含碳量也能防止产生疲劳裂纹。在控制零件碳浓度梯度时，我们应及时查看和检测零件表层碳浓度是否达到饱和，若达到饱和我们应降低碳势减少气体流量，使表层碳浓度得以扩散。

③碳化物的大小和形状的规定。碳化物的大小和形状对渗碳件的性能起着关键的作用。所以，一般对大型重载齿轮的碳化物（渗碳后）的尺寸有明确的要求。最大尺寸超过2微米则不合格，允许有尺寸超过1微米的碳化物，但应占总齿轮数10%以下，绝大部分碳化物的尺寸应该在0.5微米以下。

3.2.3 如何控制碳势和碳化物形态

①如何控制碳势。碳势控制工艺非常重要，它的“好坏”直接影响着零件表面的碳浓度及其分布，并且也影响着碳化物的形成。因此，工艺过程中的碳势控制需要注意以下几点：1）用连续碳势控制取代通断碳势控制;2）计算机软件控制;3）注意观察合理的碳浓度分布曲线。

②如何控制碳化物形态。渗碳时的温度、气氛碳势、时间等因素都影响着碳化物形成的状态。渗碳温度过高和过低都影响着间隙原子与置换原子的运动，影响着晶内形核和晶界形核，最终影响着碳化物的形态。为了控制碳化物形态，我们可采取预处理渗碳，就是在低温的时候，加大碳浓度，然后随着温度升高再调节碳势，直到获得所需的渗碳深度。这样避免了更多的网状、块状等碳化物的形成，提高了零件的使用性能。

4  结论

本文主要介绍了深层渗碳技术作为一种热化学处理技术，应用也越来越广泛，尤其是在大中型设备中，对提高零件性能非常重要。其中较常规渗碳，近些年来涌现了很多新的工艺，如真空低压渗碳、高温低压渗碳、高温离子渗层渗碳等日渐发展了起来。

首先以20CrMnTi钢轴套和重载齿轮为例进行了工艺分析，其次从分析中对深层渗碳工艺进行了优化，从渗碳钢的选择、渗碳技术指标的制定、渗碳时应注意的问题等方面优化了渗碳炉炉温控制、渗碳件碳浓度分布与形态和碳势控制。

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