如何制订气体渗碳工艺

来源:金属材料及热处理作者:杨满

    (1)渗碳温度。渗碳温度对表面碳浓度、渗碳速度以及碳浓度梯度等影响很大。

    Fe-Fe3C相图可知,钢的加热温度越高,其奥氏体溶解碳的能力越大。当炉气碳势足够高时,提高渗碳温度,会使表面碳浓度增加。随着渗碳温度的提高,碳在钢中的扩散速度也急剧增大,在相同时间内的渗碳层深度也越深。

    提高渗碳温度可以加快渗碳速度,缩短生产周期。不过过分提高渗碳温度,容易引起钢的晶粒粗大,增加零件变形,降低设备及工装的使用寿命;在采用渗碳后直接淬火工艺时,渗层中残留奥氏体量较多。

    在生产中,渗碳温度一般在900~950℃之间,对于小型精密零件可采用较低的渗碳温度。

    (2)渗碳保温时间。渗碳保温时间的长短主要根据零件渗碳层深度的要求来确定。渗层深度与保温时间的关系遵循渗层厚度公式H =K√τ,即渗层深度与保温时间呈抛物线关系。在渗碳温度一定时,渗层深度随保温时间的延长而增加。在渗碳初期,渗入速度较快,曲线较陡;随着时间的延长,渗碳层中碳浓度梯度逐渐减小,渗入速度逐渐减慢,曲线变得平缓,如图5-1所示。

渗碳时间与渗层深度的关系

    5-1    渗碳时间与渗层深度的关系

    在生产中,常根据渗碳平均速度来计算保温时间。例如,在RJJ型井式气体渗碳炉中,在920℃下以煤油为渗剂,对20CrMnTi钢进行渗碳,可按0. 25mm/h的平均速度来计算。但还应考虑到钢的化学成分、渗碳温度、渗碳介质的活性、设备及工艺等因素的影响,所以这种计算方法仅供参考。

    (3)渗碳剂。

    (4)渗碳剂流量渗碳剂的流量是影响渗碳质量的重要因素之一,它决定了渗碳介质的供碳能力。流量太大,使表面碳浓度太高,易形成网状渗碳体,淬火后残留奥氏体增多,或者出现炭黑;流量过小,则渗碳速度太低,且表面碳浓度不足,影响淬火硬度。

    渗碳剂流量与下列因素有关:装炉量越大,流量越大;炉子容积越大,流量越大;炉气要求的碳势越高,流量越大;渗碳剂的碳当量越小,流量越大。此外,还有工件的材质、渗碳层深度等因素,应根据具体情况灵活掌握。

    渗碳剂流量的测量和控制方法是:液体渗碳剂用滴注器控制,气体渗碳剂用流量计测量。

    (5)气体渗碳工艺曲线。气体渗碳工艺曲线是根据工件材质及渗层深度的要求制订出来的。气体渗碳一般在RJJ型井式气体渗碳炉或多用炉中进行。常用的气体渗碳方法是,将液体渗碳剂直接滴入渗碳炉内,产生渗碳气氛,碳原子渗入工件,称为滴注式气体渗碳法。渗碳剂主要有煤油、甲醇+煤油、甲醇+丙酮、甲醇+乙酸乙酯等。

    根据炉气控制方法的不同,滴注式气体渗碳可分为固定碳势法和分段控制法两种。

    固定碳势法渗碳是在整个渗碳过程中,渗碳剂的滴入量始终不变,炉内碳势基本保持一定,工件在一个碳势固定的气氛中进行渗碳。这种方法适用于渗碳层要求不太深的工件,优点是操作和控制比较简单。

    分段控制法气体渗碳过程由排气、强渗、扩散和降温四个阶段组成。图5-2所示为以煤油为渗剂的RJJ型井式炉分段控制法气体渗碳工艺曲线。

RJJ型井式炉分段控制法气体渗碳工艺曲线

    5-2    RJJ型井式炉分段控制法气体渗碳工艺曲线

    1)排气阶段。其目的是尽快排除炉内氧化性气体,使炉气达到所要求的碳势,是渗碳的准备阶段。炉温升至渗碳温度后,装人工件,炉温会迅速下降。由于煤油在850℃以下裂解不充分,容易产生炭黑,此时应减少煤油的滴量。等温度回升到850℃以上再加大滴量,以加快排气速度。当炉温回升到渗碳温度后,应保温30~60min,目的是使炉内工件温度均匀。

    2)强渗阶段。当炉气中的CO2含量降到0.5%(体积分数)以下时,排气结束,即进入渗碳阶段。在强渗阶段应采用大的渗剂滴量,提高炉气碳势,使工件表面的碳浓度高于最终的要求,增大表面与心部的碳浓度梯度,从而提高渗碳速度。强渗时间根据要求的渗碳层深度来决定,一般当试棒的渗层深度达到要求深度的2/3左右时,即可进入扩散阶段。

    3)扩散阶段。此阶段应减少渗剂的滴量,降低炉气碳势,使工件表面的碳向工件内部或向炉气中扩散,在表面碳含量适当降低的同时,渗碳层深度得以加深,最终得到所要求的表面碳浓度和渗碳层深度。

    强渗阶段和扩散阶段合称渗碳阶段。

    4)降温与出炉。在规定的渗碳时间结束前0.5~1h检验试棒,以决定开始降温的时间。在降温过程中,渗剂的滴量与扩散阶段相同。对于需要重新加热淬火的工件,可随炉冷至860~880℃左右出炉,放入冷却罐中冷却或在空气中冷却。对于直接淬火的工件可随炉冷至淬火温度(一般为840~860℃),保温15~30min,使工件温度均匀,然后出炉淬火。

    这种方法的优点是渗碳速度快,节约渗剂,效率高,得到广泛应用。

    5-4为不同型号井式气体渗碳炉渗碳各阶段煤油滴量。

    5-4    不同型号井式气体渗碳炉渗碳各阶段煤油滴量    (单位:滴/min)

不同型号井式气体渗碳炉渗碳各阶段煤油滴量


    注:1.滴量为每100滴为4mL

    2.数据适用于合金钢,碳钢应增加10%20%;若装入工件的总表面积过大或过

    小,应作适当修正。

    3.渗碳温度为920~930℃。