渗碳、渗氮及碳氮共渗

来源:热处理网作者:郭海祥

1.低碳钢渗碳渗氮碳氮共渗渗碳是传统的表面化学热处理工艺,渗碳钢(低碳低合金钢、低碳高合金高温渗碳钢)经渗碳淬火后表面高硬耐磨、心部强韧。渗碳工艺发展一方面是渗碳介质的改进,如加入增加渗速的添加剂,采用强渗--扩散的交替循环工艺提高渗速、改善渗层组织等。随着真空技术的发展,出现了真空低压渗碳及等离子渗碳。易普森等公司开发的乙炔低压渗碳工艺是在10mbar以下的低压下,以乙炔为渗碳介质在真空炉内进行。其特点是渗速快、渗层均匀、碳黑少、渗后工件光亮;另外,对渗层要求较薄的冲压滚针轴承类零件碳氮共渗或渗碳而言,渗层深度、成分的控制及如何提高渗速更是一大难题,采用真空低压渗碳技术将有利用解决这些问题。对高合金渗碳钢进行等离子渗碳可提高渗速、减少表面粗大碳化物的形成。对低碳钢制滚针轴承内外圈及保持架采用渗氮或碳氮共渗,可提高其耐磨性及耐蚀性、降低摩擦系数。2.高碳铬轴承钢的渗碳或碳氮共渗高碳铬轴承钢一般是整体淬硬,淬后的残余应力为表面拉应力状态,易造成淬火裂纹、降低轴承的使用性能。通过对其进行渗碳、渗氮或碳氮共渗,提高表层的碳、氮含量,降低表面层的Ms点,在淬火过程中表面后发生转变而形成表面压应力,提高耐磨性及滚动接触疲劳性能。最近的研究还表明:高碳铬轴承钢经渗碳或碳氮共渗后还可提高轴承在污染条件下的接触疲劳寿命。一般,在淬火加热时,通过控制气氛的碳(氮)势,可达到以上目的。但如果对高碳铬轴承钢进行超常渗碳(碳势>2%),则必须加大加工余量,去除渗碳淬火后表层的粗大碳化物。3.工艺控制渗碳(渗氮或碳氮共渗)气氛的检测和控制是关键参数,最早是采用露点仪、CO2红外分析仪,目前主要采用氧探头来检测碳势(或氮势),其反应速度快,可进行实时监控,配合CO2红外分析仪或其他测量措施(如易普森开发的HydroNit探头)可对碳势(或氮势)实行精确控制。工艺控制的另一方面是渗碳(渗氮或碳氮共渗)过程的计算机模拟控制。碳在钢中传递和扩散的计算机模拟开始于20世纪80年代,之后进一步开发了人机对话软件(Carb-o-Prof),使人们可以现场计算不同钢种在渗碳过程中任一时间碳的传递与扩散速度。该软件考虑了温度、碳势等工艺参数变化的影响,可以实现所需的表面碳含量及渗层深度的工艺参数的计算,并能根据工艺过程中的参数发生的变化或出现的干扰自动调整碳势、渗碳时间等工艺参数,以达到工件预定的要求。最近,又推出了“Carb-o-Prof-Expert”专家系统。该软件集成了大多数渗碳钢及渗碳淬火的物理冶金知识、设备性能、工件的技术要求等数据,只要向计算机输入工件的钢种、重量、几何尺寸、淬透性、渗层要求及炉型等数据,计算机便会输出一个渗碳工艺,并自动实现该工艺。

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