摘 要:首先對碳氮共滲的概念、現(xiàn)狀、發(fā)展進行簡要介紹,然后對碳氮共滲工藝,尤其是廣泛應用的中溫氣體碳氮共滲進行較詳盡的分析,接著對碳氮共滲的缺陷產(chǎn)生、預防、質量控制等進行論述和研究,最后展望了碳氮共滲的發(fā)展前景。
關鍵詞:碳氮共滲;工藝分析;質量控制
0 引言
筆者于20世紀80年代初畢業(yè)于工科院校的熱處理專業(yè),后被分配到某市熱處理中心,有較長時間從事熱處理生產(chǎn)和研究的經(jīng)歷,接觸的熱處理零件種類較多,范圍較廣,尤其對氮化、滲碳、碳氮共滲等化學熱處理有較深入的研究。本文主要結合筆者的實際工作經(jīng)歷,對碳氮共滲,尤其是氣體碳氮共滲進行了初步總結,希望與廣大同行互相學習、共同探討。
1 碳氮共滲概述
1.1? ? 碳氮共滲定義
所謂“碳氮共滲”,就是在滲碳和滲氮基礎上發(fā)展起來的一種化學熱處理工藝,即向鋼制零件表層同時滲入碳原子和氮原子的過程,其主要目的是改變鋼制機械零件的硬度、耐磨性、疲勞強度、抗咬合性等。
1.2? ? 碳氮共滲的方法和分類
(1)按滲劑不同,碳氮共滲可分為固體碳氮共滲(常采用黃血鹽、碳酸銨、木碳等滲劑)、液體碳氮共滲(以氰鹽為主要原料)和氣體碳氮共滲(以氨氣、煤油、苯、丙烷、三乙醇胺為主要原料)。(2)按共滲溫度不同,碳氮共滲可分為低溫碳氮共滲(520~580 ℃)、中溫碳氮共滲(780~880 ℃)和高溫碳氮共滲(880~930 ℃)。低溫碳氮共滲也稱軟氮化,中高溫碳氮共滲俗稱氰化。
1.3? ? 碳氮共滲的化學機理
以應用較廣的氣體碳氮共滲——采用丙烷富化的吸熱式氣體作為滲劑的化學反應為例:
CH4+NH3→HCN+3H2? ? ? CO+NH3→HCN+H2O
新生成的氰氫酸(HCN)在工件表面分解產(chǎn)生活性原子:
HCN→H2+2[C]+2[N]
活性碳氮原子被零件表面吸收,形成共滲表層,從而改變金屬零件表層的成分,通過隨后的淬火等處理,可以達到改善零件機械性能的目的。
2 氣體碳氮共滲工藝分析
根據(jù)鋼種、零件大小形狀、機械性能要求等的不同,適時選擇、調整共滲劑種類、流量、共滲溫度、共滲時間、后續(xù)熱處理方法等,以期達到最佳的工藝參數(shù)組合,使處理后的零件獲得合適的機械性能是本文研究的主要目的。
2.1? ? 共滲介質
目前氣體碳氮共滲常用的滲劑主要有兩大類:一類是2%~10%的氨氣加滲碳氣體,另一類是含碳氮的有機溶液,常用的有三乙醇胺及三乙醇胺中溶入20%左右的尿素。共滲介質中氨量增加,可以使?jié)B透層中氮量提高,碳量降低,應根據(jù)鋼種、滲層組織性能要求及共滲溫度確定氨氣比例。圖1為滲碳氣氛中氨加入量對爐氣碳勢、氮勢的影響。
2.2? ? 共滲溫度
共滲溫度直接影響到介質的活性、碳氮原子的形成及其在工件表面的擴散速度,溫度過高,碳的滲速加快,但氮化滲速反而降低,且工件變形將會增大。根據(jù)鋼種和使用性能要求,共滲溫度常選在820~880 ℃。
2.3? ? 共滲時間
共滲時間根據(jù)滲層深度要求而定,實驗證明,滲層深度(mm)與時間的關系符合拋物線規(guī)律:
X=K
式中:t為共滲保溫時間(h);K為常數(shù)(不同鋼種、不同共滲溫度的K值不同,但存在規(guī)律可循)。
此外,滲劑的成分和流量、工件的裝爐量等因素對共滲時間也存在一定影響,實踐中,要綜合考慮多種因素而定。
3 氣體碳氮共滲層的組織、性能、缺陷及質量控制
3.1? ? 共滲層的組織及性能
碳氮共滲工件,一般共滲后都采用直接淬火加回火的工藝,所以在此只討論淬回火后的組織及性能。此共滲層的組織,取決于滲層中碳/氮濃度、鋼種及共滲溫度等因素,共滲件直接淬火、回火后,其表面基體組織與形態(tài)均為含氮馬氏體及殘余奧氏體。值得提出的是,當共滲碳氮濃度稍高時,最終的基體馬氏體中還會出現(xiàn)一定濃度的含碳氮化合物的富集區(qū),這對于碳氮共滲件來說是良好的組織,對提高零件的耐磨性、抗腐蝕性都大有裨益。
3.2? ? 碳氮共滲的缺陷及質量控制
3.2.1? ? 碳氮共滲層組織及深度測量
由于碳氮共滲層都比較淺,一般在0.02~0.5 mm,因此其深度的計算是由表面一直到心部分界線為止。
碳氮共滲淬火后,表層含氮馬氏體一般僅占0.03 mm,分界線較清晰,容易測量。過渡層及心部組織根據(jù)共滲處理工藝不同而有所變化,會出現(xiàn)碳氮化合物、殘余奧氏體、屈氏體及鐵素體,但界限較分明,在100倍顯微鏡下,很容易區(qū)分和測量。國際標準(ISO 2639)規(guī)定,碳氮共滲大于0.3 mm深度的有效硬化層深度是由表面測到HV550為止。
3.2.2? ? 碳氮共滲的缺陷
常見的缺陷有表面脫碳、脫氮,出現(xiàn)非馬氏體組織,心部鐵素體過多,滲層濃度不夠或不均勻,表面硬度低等。此外,還有一些與氮的滲入有關的組織缺陷,如粗大碳氮化合物、黑色組織等。
3.2.3? ? 碳氮共滲的質量控制
碳氮共滲最重要的缺陷是黑色組織,即黑點、黑網(wǎng)、黑帶,俗稱“三黑”。黑色組織對零件的使用性能影響極大,表層存在0.08 mm的黑色組織,就能使齒輪類零件的彎曲疲勞性能降低50%,0.04~0.05 mm的黑色組織可使接觸疲勞性能降低80%~90%,特別是黑色組織以帶狀和網(wǎng)狀形態(tài)存在時,將嚴重影響零件的硬度、疲勞強度,極大地縮短零件的使用壽命。黑色組織的成因有多種,多是由內氧化或石墨夾雜物的析出引起。一般認為,采用吸熱式氣體加富化氣和氨進行碳氮共滲時,更容易出現(xiàn)黑色組織。特別是前期,氨的供應量越大,越容易出現(xiàn)黑色組織。
適當提高共滲溫度,采用干燥氨氣,降低氣氛中的CO2、O2和H2O含量,均能有效減少合金元素的內氧化現(xiàn)象,從而減少黑色組織的產(chǎn)生。加速冷卻,選擇合適的淬火油,可以抑制奧氏體向非馬氏體轉變,也可以減少黑色組織的數(shù)量。此外,采用含Mo、Ni等氧化傾向較小的共滲鋼種,也有助于抑制黑色組織的形成。因為這些元素能顯著提高鋼的淬透性,大大推遲珠光體的轉變時間,有利于表層馬氏體的形成。其他的共滲件缺陷,如非馬氏體組織脫碳/脫氮、滲層深度不夠、表面硬度低、殘余奧氏體量過多等,與滲碳件相同,可通過控制共滲溫度、碳氮勢,選擇合適的淬火油等措施加以解決,在此不再贅述。
4 碳氮共滲的發(fā)展
上述介紹的只是傳統(tǒng)意義上的碳氮共滲,隨著新技術、新設備、新工藝的采用,以碳氮共滲為基礎的表面化學熱處理得到了極大發(fā)展。
4.1? ? 真空碳氮共滲
為了減少傳統(tǒng)碳氮共滲工件表面的晶界氧化層,縮短共滲時間,提高生產(chǎn)效率,改善工件表面機械性能,21世紀初真空碳氮共滲技術應運而生。該技術就是,工件在真空爐內,先在滲碳溫度下通入滲碳氣體進行滲碳,然后降低溫度再通入滲氮氣體進行氮化,使工件表面得到較傳統(tǒng)碳氮共滲更優(yōu)良的機械性能。
4.2? ? 稀土及非金屬硼、硫的碳氮共滲
研究表明,稀土化合物或稀土單質,在碳氮共滲時有明顯的催滲作用,可減少工藝時間,提高生產(chǎn)效率。平均可降低30%左右的時間,使工件表面的硬度、耐磨性、沖擊韌性和抗腐蝕性都有一定提高。碳氮共滲時適當加入硼、硫等非金屬元素,能起到改善工件表面熱處理淬火后機械性能的作用。
4.3? ? 鐵素體合金化碳氮共滲
這是一種全新的表面硬化技術,是在碳氮共滲時同時滲入Al、Cr、Ti、V等金屬元素,使工件表面硬度更高,而脆性降低,從而改善工件表面機械性能。對于一些有特殊表面性能要求的零件,這一技術具有重要的實踐意義。
4.4? ? 加壓氣體碳氮共滲
氣體碳氮共滲時,在傳統(tǒng)工藝的基礎上,適當增加爐內壓力,即采用加壓脈沖工藝,能使共滲件表面的化合物層更加致密,基本杜絕了表面疏松等缺陷,對工件機械性能有較明顯的改善。
5 結語
碳氮共滲作為一種表面化學熱處理技術,因其具有較明顯的優(yōu)勢,多年來應用十分廣泛。但隨著技術的進步,應用場景要求越來越高,傳統(tǒng)意義上的碳氮共滲已很難滿足新要求,應用面有逐漸變窄的趨勢。將來,采用新技術、新設備、新工藝的碳氮共滲工藝必將逐步取代傳統(tǒng)碳氮共滲工藝,獲得更加廣泛的應用。
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收稿日期:2021-01-05
作者簡介:呂鐵錚(1962—),男,浙江新昌人,機械高級工程師,研究方向:機械材料與制造。