20CrMnH的稀土共滲工藝對(duì)滲碳動(dòng)力學(xué)的影響研究

曹利民，馬 李，趙先銳

（1.東安汽車動(dòng)力股份有限公司205車間，黑龍江 哈爾濱 150066；2.臺(tái)州學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

20CrMnH的稀土共滲工藝對(duì)滲碳動(dòng)力學(xué)的影響研究

曹利民1，馬 李2，趙先銳2

（1.東安汽車動(dòng)力股份有限公司205車間，黑龍江 哈爾濱 150066；2.臺(tái)州學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

對(duì)20CrMoH材料汽車齒輪在周期式可控氣氛多用爐中進(jìn)行了稀土滲碳工藝的研究。通過實(shí)驗(yàn)考察了添加稀土對(duì)滲碳層深及提高碳勢對(duì)滲碳速度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用880℃～900℃，以氮?dú)饧蛹状紴檩d體氣氛的稀土滲碳工藝中，稀土加入量為5%時(shí)滲碳效果最佳，使碳在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)較普通滲碳提高了1.25～1.35倍；稀土滲碳過程中，提高碳勢能稍增加滲碳層厚度，但效果并不明顯。

汽車齒輪；稀土滲碳；碳勢

1 引言

作為強(qiáng)化齒輪機(jī)械性能的手段之一，滲碳己成為最常用的化學(xué)熱處理方法之一。但總體來看，滲碳仍是一種生產(chǎn)周期長，能源消耗大的工藝方法［1-2］。由于碳在滲入金屬表面后，在金屬表面形成碳化物，其形態(tài)和數(shù)量不易控制，而且在滲碳過程中還存在馬氏體和殘余奧氏體級(jí)別超差等現(xiàn)象，因此提高滲速，縮短生產(chǎn)周期并控制好滲碳層的組織、減小工件變形具有十分重要的意義。利用稀土滲碳過程中的催滲作用和微合金化作用，能夠加快化學(xué)熱處理過程的速度，降低溫度，延長了備使用壽命［3-5］，并能提高零件的綜合力學(xué)性能［6-8］。

盡管稀土滲碳與傳統(tǒng)滲碳比有很大的優(yōu)勢，但由于針對(duì)汽車齒輪在周期式可控氣氛多作爐中進(jìn)行稀土滲碳工藝尚不成熟，所以到目前為止，稀土滲碳在20 CrMoH和20 CrMnTi兩種材料汽車齒輪實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用不是很廣泛。為此，本文從滲碳動(dòng)力學(xué)的角度考察了稀土共滲對(duì)工藝的影響。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

本試驗(yàn)所選材料為等溫正火狀態(tài)的20 CrMoH鋼，根據(jù)XPS測得的化學(xué)成分如表1所示。

采用奧地利愛協(xié)林工業(yè)爐工程有限公司的VKES/4-Ⅱ周期式可控氣氛多用爐，配有美國索菲斯氧探頭和英國EURO公司的2604型可編程碳勢控制儀。

滲碳劑和載氣分別丙酮裂解氣和氮?dú)?甲醇。

表1 20CrMoH鋼的化學(xué)成分（wt%）Table 1 Chemical composition of steel 20CrMoH（wt%）

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

影響滲碳淬火的主要工藝參數(shù)有溫度、時(shí)間及碳勢。齒輪軸滲碳淬火采用的設(shè)備是愛協(xié)林周期式氣體滲碳爐VKES5/Ⅱ型，選用的淬火介質(zhì)是好富頓公司MT355分級(jí)淬火油，淬火油溫設(shè)定為120℃。工藝試驗(yàn)分為880℃，900℃、920℃三個(gè)強(qiáng)滲溫度，強(qiáng)滲碳勢選擇1.0%，1.08%，1.15%三個(gè)碳勢來進(jìn)行，淬火溫度定為（830±10）℃，淬火保溫碳勢選擇0.85%-0.90%，回火溫度選擇低溫回火（180±10）℃，研究汽車齒輪在周期可控氣氛多用爐中滲碳淬火后的滲層深度、滲層組織、碳化物的數(shù)量大小和形態(tài)、馬氏體和殘余奧氏體的級(jí)別及工件變形的影響，以及工件表面硬度的均勻性及心部硬度要求，最終確定最為合適的滲碳工藝。稀土滲碳工藝過程通過在氮甲醇滲碳?xì)夥罩屑尤胂⊥猎貙?shí)現(xiàn)。

滲碳層深采用上海第二光學(xué)儀器廠4XB型顯微鏡進(jìn)行分析，按金相法在100倍的光學(xué)顯微鏡下觀察退火試樣的金相組織，測量從表面到心部的垂直距離得到層深。

采用如表2所示的工藝進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)每個(gè)工藝的各個(gè)階段的試樣和隨爐試樣進(jìn)行金相層深和有效硬化層深的測定，從而確定稀土的催滲效果，稀土添加含量為4%、5%、8%、11%。

表2 測定稀土的催滲效果工藝表Table 2 Heat treatment process table for measuring the effect about RE carburizing

3 結(jié)果與討論

3.1 最佳稀土加入量的確定

20CrMoH鋼在920℃、碳勢1.08%條件下不同稀土加入量滲層增厚滲碳動(dòng)力學(xué)曲線如圖1所示。

圖1 20CrMoH鋼920℃不同稀土加入量滲層增厚滲碳動(dòng)力學(xué)曲線Fig.1 Carburizing kinetics curve of carburizing depth treated with the different amount of RE addition in steel 20CrMoH at 920℃

由圖1可見，在一定稀土加入量下，滲層深度隨滲碳時(shí)間延長而增加，近似于拋物線規(guī)律變化。結(jié)果表明，稀土摻雜基本不改變滲碳過程動(dòng)力學(xué)規(guī)律。當(dāng)稀土催滲劑的體積比小于5%時(shí)，滲碳速度隨稀土催滲劑的增加而增加，尤其在4%到5%的階段滲速提高明顯。以滲碳60min層深計(jì)算得到：添加4%的稀土?xí)r滲層深度比常規(guī)滲碳增加了12.5%；添加5%的稀土?xí)r滲層深度比常規(guī)滲碳提高了25%比添加4%的稀土?xí)r的滲層深度增加了11%。體積比大于7%時(shí)，滲碳速度隨稀土催滲劑的不但不增加反而出現(xiàn)下降的情況。但滲碳速度下降的趨勢比較平緩。同樣以滲碳60min的層深計(jì)算得到：添加8%的稀土?xí)r滲碳層深比添加7%稀土?xí)r減少了3%；添加11%的稀土?xí)r滲碳層深比添加5%的稀土?xí)r減少了7%，比添加8%的稀土?xí)r減少了3%；添加8%和11%的稀土?xí)r滲碳層深比傳統(tǒng)滲碳分別增加了21%和17%。由此可見當(dāng)添加稀土催滲劑的體積比為5%時(shí)，滲碳速度達(dá)到最快。

3.2 添加稀土對(duì)滲碳層深的影響

表3給出了稀土摻雜前后的滲碳層深的變化對(duì)比關(guān)系，其中稀土的添加量為4%。

表3 不同工藝滲碳層深Table 4 Carburizing depth of different processes

由表3可見，在溫度不變的情況下，無論有無稀土添加，滲碳層深度均隨時(shí)間延長而增加；在相同時(shí)間內(nèi)無論有無稀土添加，滲碳層深度都隨溫度的升高而增加；這是因?yàn)闈B碳過程可以看作是垂直于工件表面，由表面向心部的方向?yàn)檎较虻囊痪S非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，服從菲克第二定律：

式中C—體積濃度，g/cm2；t—擴(kuò)散時(shí)間，s；D—擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s；x—距離滲碳表面的垂直距離，cm。菲克定律中的擴(kuò)散系數(shù)為

式中D0—擴(kuò)散常數(shù)或頻率因子，cm2/s；Q—擴(kuò)散激活能，J/mol；R—理想氣體常數(shù)；T—絕對(duì)溫度。

（2）式中的D0和Q隨成分和結(jié)構(gòu)而變，但與溫度無關(guān)，一般情況下看成是常數(shù)；而擴(kuò)散系數(shù)與溫度呈指數(shù)關(guān)系，T對(duì)D有強(qiáng)烈的影響。溫度越高，原子的能量越大，越容易遷移，因此擴(kuò)散系數(shù)越大。在相同工藝條件下，添加稀土比不添加稀土?xí)r的滲碳層深度明顯增厚；這是因?yàn)橄⊥恋募尤胍鹆它c(diǎn)陣畸變、改變了碳原子的遷移率，從而改變了擴(kuò)散激活能，是擴(kuò)散系數(shù)增大。從擴(kuò)散的微觀機(jī)制分析：在一維擴(kuò)散中擴(kuò)散系數(shù)為：

式中Г—間隙原子的跳動(dòng)頻率；α—垂直于擴(kuò)散方向的兩個(gè)相鄰晶面的面間距。

由于α是個(gè)常數(shù)，而稀土元素的加入必然引起大量的點(diǎn)陣畸變，從而使間隙原子的跳動(dòng)頻率Г增大，從而使擴(kuò)散系數(shù)D增大。由文獻(xiàn)［9］，滲碳過程的層深與時(shí)間的拋物線規(guī)律為：

式中δ—滲層深度，mm；t—滲碳時(shí)間，h；K—比例常數(shù)；D—碳的擴(kuò)散系數(shù)，mm2/h。

一般認(rèn)為稀土元素對(duì)常數(shù)K值影響不大，所以當(dāng)滲碳工藝完全相同的情況下，由式3-4可以得到

式中DRE—對(duì)應(yīng)于不加稀土滲碳的D在相同工藝條件下加稀土的擴(kuò)散系數(shù)；δRE—對(duì)應(yīng)于不加稀土滲碳的δ在相同工藝條件下加稀土的層深。

3.3 提高碳勢對(duì)滲碳速度的影響

不同時(shí)間900℃加稀土超高碳勢滲碳層深與900℃加稀土常規(guī)碳勢滲碳層深的對(duì)比如圖2所示。

由圖2可以看出，加稀土提高碳勢滲碳并沒有顯著提高滲碳速度。以最后的隨爐試樣計(jì)算超高碳勢滲碳較常規(guī)碳勢滲碳滲層增加了5%，共0.1 mm。而且滲層的增加主要是前3 h增加的結(jié)果，3 h以后高碳勢滲碳層深的增加與常規(guī)滲碳層深的增加曲線基本平行，即3 h以后高碳勢相對(duì)于常規(guī)碳勢深速不再提高。

圖2 20CrMoH鋼900℃有無稀土添加滲層增厚動(dòng)力學(xué)曲線Fig.2 The kinetics curve of carburizing depth treated with the addition of RE carburizing or not in steel 20CrMoH at 900℃

一般來說，擴(kuò)散系數(shù)是濃度的函數(shù)。單相區(qū)擴(kuò)散時(shí)，碳在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)隨濃度升高而增大，因此在一定范圍內(nèi)提高碳勢增大碳濃度梯度可以提高滲碳速度。但是當(dāng)碳勢提高到可以在滲碳工件表層產(chǎn)生碳化物時(shí)，以后的滲碳必然要受到這些碳化物的影響。而影響的大小與碳化物的大小、數(shù)量、形態(tài)和分布有關(guān)系，滲碳過程中的強(qiáng)滲階段滲碳?xì)夥罩械奶紕萋愿哂诠ぜ砻娴奶紳舛取．?dāng)在滲碳溫度下把碳勢調(diào)節(jié)到高于此溫度下碳在γ-Fe中的溶解度時(shí)，在工件表層可能出現(xiàn)碳化物，并且隨碳勢的升高碳化物數(shù)量增多，體積變大，形態(tài)變差。當(dāng)把碳勢提高到本次試驗(yàn)用碳勢時(shí)，由于碳勢提高，在滲碳初期在工件表面沿晶界形成大量的網(wǎng)狀碳化物，而晶界又是間隙碳原子在奧氏體中擴(kuò)散的主要通道，這樣就會(huì)有相當(dāng)大的一部分碳原子在擴(kuò)散過程中受到前期碳化物的阻礙，而被前期碳化物吸附，使碳化物長大。前期碳化物是一種動(dòng)態(tài)的碳化物，一方面靠近表層的一側(cè)由于碳濃度過飽和碳化物吸附碳原子的速度高于碳化物溶解的速度而使自己長大，另一方面靠近心部的一側(cè)由于基體碳濃度稍低，一部分碳化物中的碳原子會(huì)在濃度梯度的作用下掙脫碳化物的束縛溶解到基體當(dāng)中，繼續(xù)向深層擴(kuò)散。總體來說，由于滲碳?xì)夥罩械奶紳舛忍荻鹊拇嬖冢沟们捌谔蓟锊粩嗟亻L大，并向工件內(nèi)部擴(kuò)散。這樣滲到工件深層的碳原子會(huì)經(jīng)歷間隙原子→碳化物→間隙原子的周期循環(huán)過程，有的碳原子甚至?xí)?jīng)歷多個(gè)這樣的周期循環(huán)。越過碳化物區(qū)靠近工件心部的基體中的碳濃度是飽和的碳濃度，從此深度開始碳原子的擴(kuò)散又變成了普通的在單相區(qū)擴(kuò)散，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)符合單相區(qū)擴(kuò)散的一切規(guī)律。所以，提高碳勢滲碳的強(qiáng)滲階段滲碳速度應(yīng)該是前期碳化物向心部擴(kuò)散長大的速度加上外層為飽和碳濃度的情況下碳原子在單相奧氏體區(qū)的擴(kuò)散速度。

實(shí)際上，一方面高濃度稀土滲碳過程鋼表面層中形成合金碳化物，降低了碳的擴(kuò)散速率，使?jié)B碳層變??；另一方面，提高碳勢導(dǎo)致滲碳表層奧氏體中碳的化學(xué)位梯度或碳的濃度梯度增加，可以加快碳的擴(kuò)散。其結(jié)果是，稀土滲碳過程中提高碳勢稍增加滲碳層厚度，但不明顯。

4 結(jié)論

（1）20CrMoH的汽車齒輪采用880℃～900℃，以氮?dú)?甲醇為載體氣氛的稀土滲碳工藝中，稀土加入量為5%時(shí)滲碳效果最佳。

（2）高濃度稀土滲碳過程中，鋼表面層中形成合金碳化物，降低了碳的擴(kuò)散速率，使?jié)B碳層變??；提高碳勢導(dǎo)致滲碳表層奧氏體中碳的化學(xué)位梯度或碳的濃度梯度增加，可以加快碳的擴(kuò)散。兩種過程的影響導(dǎo)致稀土滲碳過程中提高碳勢將稍增加滲碳層厚度，但程度不明顯。

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Study of Effect of Rare Earth Co-permeation for 20CrMnH on Kinetic of Gas Carburization

CAO Li-min1，MA Li2，ZHAO Xian-rui2
（1.Harbin Dong-an Auto Engine Co.,LTD,Harbin 150066,China;2.School of Physics and Electronics Engineering,Taizhou University,Taizhou 318000,China）

RE carburizing technology on the automotive gear of steel 20CrMoH was studied in muti-purpose chamber furnace with protective-gas atmospheres in this paper. The influence of RE addition on the depth of carburized layer and the influence of carbon potential increase on carburizing speed were analyzed by experiments.The results show that the pervasion modulus of carbon is(1.25-1.35)times faster than the general carburizing in austenite with the optimal addition of 5%RE under(880-920)℃in the atmosphere of which nitrogen and methyl alcohol are as carrier.However,during the course of RE carburizing,increase of carbon potential can increase the carburized-case depth to obscure degree.

auto gear;RE carburizing;carbon potential

周小莉）

TG156.8

A

1672-3708（2010）03-0028-06

2010-04-19；

2010-05-05

曹利民（1975- ），男，黑龍江哈爾濱人，碩士，工程師，主要從事材料制備及熱處理工藝方面的研究。