李 陽，王夢夢，王元棟

(陜西法士特齒輪有限責任公司，陜西 西安 710119)

滲碳淬火是提高齒輪齒面強度的重要途徑。滲碳過程可分解為三個階段：滲碳劑的分解、活性碳原子的吸收、碳原子的擴散。主要有以下幾方面因素影響滲碳速度：1)滲碳溫度；2)碳勢；3)表面活性與吸附面積。溫度越高，滲碳速率越快，但追求過高的滲碳溫度一方面會造成設備壽命的減少，另一方面可能會引起奧氏體晶粒的長大。碳勢值不應超過相應溫度的飽和碳濃度，否則會在表面積碳形成碳黑以致阻滲。表面活性可通過其它方法改變。若采用一定的機械手段或者化學手段，提高表面活性或者增加吸附面積，可能會提高滲碳速度。

文獻[1-2]表明通過機械手段形變預處理提高零件表面活性會提高滲氮速率。陳磊等[3]研究表明通過機械研磨的表面納米化處理有利于提高零件的滲氮速度，其研究結果表明增壓噴丸處理后的軟氮化工藝時間由10 h縮減到3 h；孫建等研究表明表面形變處理后有利于提高滲層的厚度和韌性[4-5]；魏悠悠采用分子動力學模擬研究表明表面形變處理有利于提高碳原子和氮原子的擴散系數(shù)，減少擴散時間[6]；超音速微粒轟擊技術對20Cr鋼表面處理后滲氮表層組織細化，相同滲氮工藝條件下擴散層增加，表面硬度增加[7]。表面形變處理在滲氮領域已經(jīng)有較多研究，但對于滲碳處理，表面形變預處理是否會促進滲碳速率尚待研究。本文通過熱處理試驗，得出滲碳前拋丸處理與滲碳速率的關系。

1 試驗方案

本試驗對8620RH材料齒輪切塊，見圖1。在進行拋丸形變預處理后再滲碳處理，研究拋丸形變處理對滲碳速率的影響。設定了四種工藝，研究在不同設備和工藝下滲碳前拋丸預處理對滲碳速率的影響。四種工藝A、B、C、D如表1、表2所示，A、B工藝為多用爐工藝，C、D為環(huán)形爐工藝。

圖1 齒輪試塊Fig.1 The gear specimen

表1 工藝A和工藝B參數(shù)

表2 工藝C和工藝D參數(shù)

形變預處理采用拋丸工藝，拋丸設備為QZG-S1000懸鏈通過式拋丸機；滲碳設備為AICHELIN箱式多用爐和AICHELIN 42工位環(huán)型爐；采用TUKON2500顯微硬度計檢測硬化層深；采用Alm金相顯微鏡檢測金相組織。

丸粒選取鋼絲切丸，拋丸電流強度為20 A。1#、4#、7#和10#試樣為對比組試樣，其余均為實驗組試樣，實驗組拋丸時間為8 min。將試樣放在熱處理料盤中間位置，對所有試樣進行滲碳淬火→清洗→回火處理，回火工藝均為185 ℃×3 h。采用線切割截取試樣齒寬1/2中截面，檢測1/2齒高處的硬化層深和金相組織。硬化層深檢測按標準GB/T 9450要求測定，為了減小檢測誤差，每個試樣測兩次。試驗方案及硬化層深結果見表3。

2 試驗結果分析

2.1 硬化層深

多用爐：A工藝的1#～3#試樣，拋丸后滲碳淬火的2#和3#試樣硬化層深平均值比1#試樣分別增加0.33和0.285 mm，增幅分別為39.2%和33.3%。B工藝的4#～6#試樣，拋丸后滲碳淬火5#和6#試樣比4#試樣分別增加0.22和0.24 mm，增幅分別為15.7%和14.1%。該結果表明熱處理前進行拋丸處理能夠提高滲碳速率；滲碳時間較短時，促進作用較大，促進作用隨著時間的增加而減弱。這是因為層深較深的零件，其層深的增加的限制要素是碳原子往更深層的擴散，而影響內(nèi)部擴散的主導因素是溫度和時間，表面碳原子的濃度已經(jīng)不再是主導因素。因此，層深超過1.6 mm后，熱處理前拋丸對滲碳速率的促進作用減小。

表3 試驗方案及硬化層深結果

環(huán)形爐：C工藝的7#～9#試樣，拋丸后滲碳淬火的8#和9#試樣硬化層深平均值比7#試樣分別增加0.11和0.135 mm，增幅分別為12.4%和15.2%。D工藝的10#～12#試樣，拋丸后滲碳淬火11#和12#試樣比10#試樣分別增加0.075和0.09 mm，增幅分別為5.0%和5.9%。該結果同樣表明，滲碳前拋丸可以提高滲碳速率，但隨著滲碳時間的延長促進作用減弱。

圖2 (a)A、C工藝硬化層深；(b)B、D工藝硬化層深Fig.2 (a)The hardened-depth of process A and C；(b)The hardened-depth of process B and D

對比圖2中A、C兩種工藝的對比組1#和7#試樣，硬化層深接近，均在0.85～0.90 mm范圍內(nèi)；但工藝A實驗組的硬化層深比工藝C的深0.15 mm。與之類似，工藝B、D的對比組4#和10#試樣的硬化層深接近，但工藝B實驗組5#、6#的硬化層深比11#和12#的深約0.15 mm。表明進行拋丸預處理后，多用爐滲碳速率的提升幅度大于環(huán)形爐。

拋丸形變預處理可增加滲碳速率，且增加幅度隨著硬化層深的增加而減小，多用爐處理的零件的增幅較環(huán)形爐大。環(huán)形爐帶有預氧化設備，在滲碳前對表面進行380 ℃×2 h的預氧化，使得表面活化，增加活性碳原子的吸附速率。表面拋丸的作用也是提高表面活性碳原子的吸附速率，而在一定的碳勢條件下，兩者的作用類似。因此對預氧化的零件滲碳前拋丸處理引起的滲碳速率增幅很小。

2.2 硬度梯度

對回火試樣進行切割制樣，采用顯微硬度計檢測硬度梯度，如圖3所示。為了減小測量誤差，其硬度值為3個齒的齒面1/2齒高處硬度值的平均值。

多用爐滲碳試樣的硬度梯度見圖3(a)，在表面碳濃度較高的過共析層，滲碳前拋丸與未拋丸試樣的硬度值接近，無顯著差異。在過渡區(qū)，在距離表面0.4～1.2 mm范圍內(nèi)，隨著深度的增加，同一位置的硬度差值從30 HV逐漸增加到100 HV。B工藝所得層深較深的4#～6#試樣，在距離表面0.9～1.6 mm范圍內(nèi)，同一位置的硬度差值從10 HV逐漸增加到60 HV。而硬度增加的主要原因是馬氏體中碳濃度的增加，這表明拋丸處理也提高了過渡層的含碳量。

環(huán)形爐滲碳淬火處理試樣的硬度，如圖3(b)所示。在表面過共析層，兩者的硬度無顯著差異。在過渡區(qū)，同一深度處，預氧化前進行拋丸處理的零件的硬度值比未進行拋丸處理的零件的硬度值略高10～30 HV。這說明了在此種工藝下拋丸預處理可以促進滲碳速率，但提升作用較小。

2.3 金相分析

1#、2#試樣的表面滲層金相組織如圖4所示。圖中黑色組織為馬氏體，白色組織為殘余奧氏體，根據(jù)企業(yè)標準TES003中對滲碳淬火金相組織的評級圖譜，1#和2#試樣的殘余奧氏體分別為B級和C級。2#試樣中殘余奧氏體的含量略高于1#試樣，即滲碳前拋丸預處理的金相組織中的殘余奧氏體含量高。

在相同的淬火溫度和淬火工藝條件下，殘余奧氏體的含量主要與滲碳層的含碳量有關，含碳量越高，殘余奧氏體的含量越高。滲碳前拋丸處理的組織中殘余奧氏體含量略高于未拋丸預處理的零件也是含碳量較高的一種體現(xiàn)。在碳含量大于共析成分碳含量時，該碳原子都處于固溶于奧氏體狀態(tài)，碳含量的增加引起C曲線的右移，馬氏體轉(zhuǎn)變Ms點和Mf點都下降，殘余奧氏體含量增加。所以拋丸預處理后殘余奧氏體含量略有所增加。

(a)多用爐；(b) 環(huán)形爐圖3 滲碳試樣硬度梯度(a)multi purpose furnace; (b) annular furnaceFig.3 The hardness gradient of carburized samples

(a)1# 試樣； (b)2#試樣圖4 試樣表面金相組織(a)1# sample； (b)2# sampleFig.4 Microstructure of sample surface

3 結論

1)拋丸形變預處理可增加滲碳速率，提高滲碳層中的含碳量，從而增加滲碳層的硬度；

2)拋丸形變預處理對滲碳速率的提升幅度隨著滲碳層深增加而減??；

3)對于進行預氧化處理的零件，拋丸預處理會提高滲碳速率，但對滲碳速率提升的幅度較低。