蘇 陽(yáng)， 史有森， 張志沖， 王 琴， 王美乾， 茅 君

(江蘇豐東熱技術(shù)有限公司， 江蘇 鹽城 224100)

為解決零件盲孔滲碳的難題，研究了不同氣氛對(duì)盲孔滲碳的影響。盲孔類(lèi)零件廣泛存在于各種工業(yè)制造領(lǐng)域，根據(jù)使用要求，一些零件的盲孔內(nèi)部需要進(jìn)行滲碳處理。由于盲孔內(nèi)部的氣氛循環(huán)差，使盲孔內(nèi)部不容易滲碳，盲孔滲碳一直是熱處理生產(chǎn)中的難題。本文比較了不同工藝對(duì)20CrMo鋼盲孔滲碳的試驗(yàn)結(jié)果，分析了產(chǎn)生滲層差異的主要原因，提供了盲孔滲碳的合適工藝，提出了真空低壓滲碳工藝是實(shí)際生產(chǎn)中盲孔滲碳的有效方法。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)采用20CrMo鋼，其化學(xué)成分如表1所示。試樣規(guī)格采用φ20 mm×150 mm的圓柱，在其中心位置分別加工不同尺寸的盲孔，盲孔尺寸分別為φ5 mm×140 mm、φ3 mm×100 mm、φ1.5 mm×60 mm，每組3個(gè)試樣。

表1 20CrMo鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 熱處理工藝

對(duì)不同盲孔尺寸試樣分別進(jìn)行常規(guī)氣氛滲碳處理及不同壓力(100、220 Pa)的真空滲碳處理，具體滲碳工藝曲線見(jiàn)圖1，滲碳淬火后分別進(jìn)行160 ℃×120 min回火。

其中圖1(a)為工藝1，采用常規(guī)可控氣氛滲碳工藝，試驗(yàn)設(shè)備為FBQ1000可控氣氛多用爐，有效加熱區(qū)尺寸：750 mm×750 mm×1200 mm(寬×高×長(zhǎng))，以甲醇為載氣，丙烷為滲碳?xì)?，氧探頭自動(dòng)測(cè)量和調(diào)節(jié)爐內(nèi)碳勢(shì)，從升溫到出爐淬火處理時(shí)間約310 min。

圖1(b)為工藝2，采用真空低壓滲碳工藝，試驗(yàn)設(shè)備為VCB600真空滲碳爐，有效加熱區(qū)尺寸：600 mm×600 mm×1100 mm(寬×高×長(zhǎng))，真空狀態(tài)升溫、均熱，氣壓 1～10 Pa，均熱后通入乙炔滲碳，乙炔流量為15 L/min，氣壓約100 Pa，滲碳后進(jìn)行真空狀態(tài)下的擴(kuò)散及降溫，氣壓為1～10 Pa，從升溫到出爐淬火的處理時(shí)間約300 min。圖1(c)為工藝3，同為真空低壓滲碳工藝，除乙炔流量和真空度不同外，設(shè)備及處理?xiàng)l件與工藝2相同。真空狀態(tài)下升溫、均熱后通入乙炔，乙炔流量為25 L/min，氣壓約為220 Pa，滲碳后進(jìn)行真空狀態(tài)下的擴(kuò)散及降溫，從升溫到出爐淬火的處理時(shí)間約300 min。

圖1 常規(guī)氣體滲碳(a)及真空低壓滲碳(b, c)工藝曲線(a)工藝1；(b)工藝2；(c)工藝3Fig.1 Process curves of the conventional gas carburizing(a) and vacuum low-pressure carburizing(b, c)(a) process 1; (b) process 2; (c) process 3

1.3 檢查方法

經(jīng)不同工藝滲碳淬火及160 ℃×120 min回火處理后，檢查外圓表面及盲孔內(nèi)壁的有效硬化層深度，比較分析不同滲碳工藝的處理效果。

按GB/T 9450—2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測(cè)定和校核》的方法測(cè)定滲碳有效硬化層深度，測(cè)量?jī)x器為MH-500D數(shù)字顯微硬度計(jì)，試驗(yàn)載荷砝碼為0.5 kg，以硬度550 HV0.5處作為滲碳有效硬化層的評(píng)定基準(zhǔn)。外圓表面的有效硬度化層檢查位置為盲孔長(zhǎng)度的1/2處。盲孔內(nèi)壁表面的有效硬化層檢查位置自盲孔端面5 mm處開(kāi)始，間隔5 mm或10 mm測(cè)定各位置內(nèi)壁處的顯微硬度，位置示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 外圓表面及盲孔內(nèi)壁有效硬化層檢查位置Fig.2 Inspection positions of effective hardened layer of outer circle surface and blind hole inner wall

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 外圓表面滲碳有效硬化層深度

圖3是不同盲孔尺寸試樣經(jīng)不同工藝滲碳處理后外圓表面的有效硬度化層深度。由圖3可知，試樣經(jīng)工藝1處理后的外圓表面的有效硬化層為0.90～0.93 mm；經(jīng)工藝2處理后的外圓表面的有效硬化層為0.76～0.85mm；經(jīng)工藝3處理后的外圓表面的有效硬化層為0.79～0.86 mm。工藝1為多用爐常規(guī)可控氣氛滲碳，總處理時(shí)間比真空處理稍長(zhǎng)，所以試樣處理后外圓表面處有效硬化層深度比真空低壓滲碳稍深。工藝2、3為真空低壓滲碳，處理時(shí)間相同，所以處理后的外圓表面的有效硬化層相近。工藝3乙炔流量為25 L/min，氣壓約220 Pa，工藝2乙炔流量15 L/min，氣壓約100 Pa，工藝3的乙炔流量及氣壓稍高于工藝2，所以處理的外圓表面的有效硬化層深度比工藝2稍深。

圖3 不同盲孔尺寸試樣經(jīng)不同滲碳工藝處理的外圓表面有效硬化層深度Fig.3 Effective hardened depth on outer circle surface of the specimens with different sizes of blind hole carburized by different processes

2.2 盲孔內(nèi)壁滲碳有效硬化層深度

圖4是不同盲孔尺寸試樣滲碳處理后盲孔內(nèi)壁各點(diǎn)的有效硬化層深度。由圖4(a)可知，φ5 mm盲孔試樣經(jīng)工藝1處理后，距端面20 mm位置的內(nèi)壁表面的有效硬化層深度約0.51 mm，經(jīng)工藝2處理后距端面130 mm的內(nèi)壁表面的有效硬化層深度約0.59 mm，經(jīng)工藝3處理后距端面130 mm的內(nèi)壁表面的有效硬化層深度約0.62 mm。由圖4(b)可知，φ3 mm盲孔試樣經(jīng)工藝1處理后，距端面20 mm位置的內(nèi)壁表面的有效硬化層深度約0.32 mm，經(jīng)工藝2處理后距端面90 mm的內(nèi)壁表面的有效硬化層深度約0.54 mm，經(jīng)工藝3處理后距端面90 mm的內(nèi)壁表面的有效硬化層深度約0.58 mm。由圖4(c)可知，φ1.5 mm 盲孔試樣經(jīng)工藝1處理后，距端面20 mm位置的內(nèi)壁表面的有效硬化層深度約0.17 mm，經(jīng)工藝2處理后距端面50 mm的內(nèi)壁表面的有效硬化層深度約0.54 mm，經(jīng)工藝3處理后距端面50 mm的內(nèi)壁表面的有效硬化層深度約0.49 mm。

圖4 不同盲孔尺寸試樣經(jīng)不同滲碳工藝處理的盲孔內(nèi)壁各點(diǎn)的有效硬化層深度Fig.4 Effective hardened depth on blind hole inner wall of the specimens with different sizes of blind hole carburized by different processes(a) φ5 mm×140 mm; (b) φ3 mm×100 mm; (c) φ1.5 mm×60 mm

2.3 盲孔的有效滲碳深度

根據(jù)GB/T 34889—2017《鋼件的滲碳與碳氮共滲淬火回火》及GB/T 9450—2005，有效硬化層深度散差小于0.2 mm的均勻性要求，本試驗(yàn)以盲孔內(nèi)壁表面有效硬化層深度與外圓表面有效硬化層深度差小于0.2 mm的位置作為盲孔的有效滲碳深度，得到不同尺寸盲孔的有效滲碳深度，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同盲孔尺寸試樣經(jīng)不同滲碳工藝處理的有效滲碳深度

由表2所示，經(jīng)工藝1處理后，φ5 mm的盲孔試樣的有效滲碳深度約5 mm，而φ3 mm及φ1.5 mm盲孔試樣的有效滲碳深度接近于0。

經(jīng)工藝2處理后，φ5mm的盲孔試樣的有效滲碳深度約110 mm，φ3mm和φ1.5mm盲孔試樣的有效滲碳深度分別約為70 mm和50 mm。經(jīng)工藝3處理后，φ5 mm的盲孔試樣的有效滲碳深度約120 mm，φ3mm和φ1.5mm盲孔試樣的有效滲碳深度分別約為70 mm和35 mm。

2.4 討論

如上所述，盲孔試樣經(jīng)常規(guī)氣氛滲碳處理后，其內(nèi)壁表面的有效滲碳深度很淺，對(duì)于盲孔尺寸特別小的試樣，其內(nèi)壁的有效滲碳深度接近于零。而盲孔試樣經(jīng)真空低壓滲碳處理后，其內(nèi)壁表面的有效滲碳深度顯著深于常規(guī)氣氛滲碳，φ5 mm盲孔試樣處理后內(nèi)壁表面的有效滲碳深度能達(dá)到110～120 mm, 盲孔尺寸特別小的試樣φ1.5 mm也可達(dá)到35～50 mm。真空低壓滲碳對(duì)于盲孔內(nèi)表面的滲碳能力遠(yuǎn)高于常規(guī)氣氛滲碳的原因主要是由于兩種滲碳方式的機(jī)理或氣氛狀態(tài)不同。

常規(guī)氣氛滲碳是在稍高于1大氣壓的微正壓狀態(tài)下進(jìn)行，氣體分子密集，各氣體分子之間的平均自由程小，氣體流動(dòng)狀態(tài)呈粘性流。滲碳時(shí)的界面反應(yīng)主要是2COC+CO2，試樣表面附近的CO流入及CO2排出的氣體流動(dòng)狀態(tài)是粘性流，氣氛滲碳爐使用循環(huán)風(fēng)扇的攪拌使氣氛流動(dòng)，以保證產(chǎn)品不同部位滲碳均勻。正常情況下氣氛在產(chǎn)品表面能充分流動(dòng)，表面滲層深度和真空低壓滲碳無(wú)顯著差異。對(duì)于盲孔的情況，在氣體流動(dòng)狀態(tài)是粘性流的狀態(tài)下，氣體分子流動(dòng)不暢，盲孔內(nèi)部產(chǎn)生的CO2分子不能及時(shí)排出，阻礙了外部滲碳?xì)怏wCO分子的進(jìn)入，引起了盲孔內(nèi)部滲層很淺的現(xiàn)象。

在真空狀態(tài)下，氣體分子稀薄，各氣體分子之間的平均自由程大，在高真空的狀態(tài)下，氣體流動(dòng)狀態(tài)呈分子流。在一般真空的狀態(tài)下，氣體流動(dòng)狀態(tài)呈粘性與分子流之間的中間流或過(guò)渡流狀態(tài)，其具體狀態(tài)主要與真空度、溫度等因素有關(guān)。真空低壓滲碳時(shí)的界面反應(yīng)主要是C2H22C+H2，在氣壓為100～200 Pa時(shí)，試樣表面附近的C2H2流入及H2排出的氣體流動(dòng)狀態(tài)是中間流，即使在盲孔內(nèi)部，界面反應(yīng)產(chǎn)生的H2氣氛也能及時(shí)排出，外部滲碳?xì)怏wC2H2能夠充分流入，所以試樣盲孔內(nèi)部也有相當(dāng)深的滲碳層。另外，真空狀態(tài)下對(duì)試樣表面的潔凈作用，也有助于盲孔內(nèi)的滲碳。

2.4.1 真空度對(duì)滲碳效果的影響

工藝2、3為不同真空度時(shí)的真空滲碳，滲碳時(shí)間和擴(kuò)散時(shí)間都相同，工藝2的滲碳?xì)鈮杭s為100 Pa，工藝3的滲碳?xì)鈮杭s為220 Pa，兩者真空度不同，盲孔滲碳的效果也不同。經(jīng)工藝2處理后，φ5、φ3和φ1.5 mm盲孔的有效滲碳深度分別為110、70和50 mm左右；經(jīng)工藝3處理后，它們的有效滲碳深度分別為120、70和35 mm左右。

由圖3可知，試樣經(jīng)工藝2與工藝3處理后的外圓表面滲碳有效硬化層深度及φ5 mm盲孔內(nèi)壁表面有效滲碳深度相近，氣壓稍高的工藝3處理的結(jié)果比工藝2處理的滲層稍深。但處理盲孔尺寸特別小的試樣(φ1.5 mm)時(shí)，工藝3處理后的盲孔內(nèi)壁表面有效滲碳深度比工藝2處理的稍淺。究其原因是盲孔尺寸特別小時(shí)，高真空狀態(tài)比低真空狀態(tài)更利于氣體分子的傳送。

2.4.2 盲孔尺寸對(duì)滲碳效果的影響

據(jù)表2及圖4所示，經(jīng)不同工藝處理后，φ5 mm盲孔有效滲碳深度最深，真空低壓滲碳時(shí)能達(dá)到110～120 mm。φ3 mm盲孔次之，真空低壓滲碳時(shí)能達(dá)到70 mm。φ1.5 mm 盲孔有效滲碳深度最淺，真空低壓滲碳時(shí)能達(dá)到35～50 mm。其原因主要是氣體流動(dòng)在中間流的狀態(tài)下，大的盲孔更有利于滲碳?xì)怏wC2H2流入及H2排出。

3 結(jié)論

1) 常規(guī)氣氛滲碳工藝對(duì)盲孔內(nèi)部滲碳效果很弱，真空低壓滲碳對(duì)盲孔內(nèi)部的滲碳能力遠(yuǎn)高于氣氛滲碳。因此，真空低壓滲碳是對(duì)盲孔進(jìn)行有效滲碳的合理方法。

2) 常規(guī)氣氛滲碳工藝和真空低壓滲碳工藝的滲碳機(jī)理或滲碳時(shí)的氣體狀態(tài)不同，是引起兩種工藝對(duì)盲孔內(nèi)部的滲碳能力不同的主要原因。

3) 盲孔尺寸越小，內(nèi)部滲碳效果越弱。對(duì)于尺寸特別小的盲孔，高真空狀態(tài)比低真空狀態(tài)的滲碳效果更好。