鋼的滲碳處理初探

馬永為

（廊坊高級(jí)技工學(xué)校，河北 廊坊 065000）

滲碳是把鋼置于滲碳介質(zhì)中，加熱到單相奧氏體區(qū)，保溫一定時(shí)間，使碳原子滲入鋼表層的過(guò)程。它是一個(gè)十分古老的工藝，在中國(guó)，最早可上溯到2000年以前。起先用固體滲碳介質(zhì)滲碳，在20世紀(jì)出現(xiàn)液體和氣體滲碳并得到廣泛應(yīng)用，后來(lái)又出現(xiàn)了真空滲碳和離子滲碳。到現(xiàn)在，滲碳工藝仍然具有非常重要的實(shí)用價(jià)值，原因就在于它的合理的設(shè)計(jì)思想，即讓鋼材表層接受各類(lèi)負(fù)荷最多的地方，通過(guò)滲入碳元素達(dá)到高的表面含碳量，通過(guò)淬火和低溫回火處理使工件表面得到高的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度，而不必通過(guò)昂貴的合金化或其他的復(fù)雜的工藝手段對(duì)整個(gè)材料進(jìn)行處理。這不僅能用低廉的碳鋼或合金鋼來(lái)代替某些較昂貴的高合金鋼，而且能夠保持芯部有低碳鋼淬火后的強(qiáng)韌性。因此，完全符合節(jié)能、降耗，可持續(xù)發(fā)展的方向。

在機(jī)械制造工業(yè)中，有許多重要零件（如汽車(chē)、拖拉機(jī)變速箱齒輪、活塞銷(xiāo)、摩擦片及軸類(lèi)等），它們都是在循環(huán)載荷、沖擊載荷、很大接觸應(yīng)力和嚴(yán)重磨損條件下工作的，因此要求零件表面硬而耐磨，芯部強(qiáng)而韌，具有高的疲勞極限。為了滿足這樣的使用性能要求，可以采用含碳0.1%～0.25%碳鋼或低合金鋼，經(jīng)滲碳和淬火、低溫回火后，就可以在零件的表層和心部分別獲得高碳和低碳組織，從而滿足零件表面硬而耐磨，芯部強(qiáng)而韌和高的疲勞極限的要求。

根據(jù)采用的滲碳劑的不同，滲碳方法可分為固體滲碳、液體滲碳和氣體滲碳三種。氣體滲碳的生產(chǎn)效率高，滲碳過(guò)程容易控制，滲碳層質(zhì)量好，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化，所以得到了廣泛的應(yīng)用。

一、滲碳件的技術(shù)要求

實(shí)踐證明，滲碳層的含碳量、滲碳層的深度與組織是決定滲碳質(zhì)量的主要指標(biāo)，對(duì)滲碳件的使用壽命起著極為重要的作用。

1.滲碳層的表面含碳量最好在0.85%～1.05%范圍內(nèi)，表面層含碳量過(guò)低，淬火、低溫回火后得到含碳量較低的回火馬氏體，硬度低，耐磨性較差，疲勞極限也低。但表面含碳量過(guò)高，滲碳層會(huì)出現(xiàn)大量塊狀或網(wǎng)狀滲碳體，使?jié)B碳層變脆，易剝落，同時(shí)由于表面淬火組織中殘余奧氏體量的過(guò)度增加，使表面硬度、耐磨性下降，以及表層殘余壓應(yīng)力減小，導(dǎo)致疲勞極限的顯著降低。

2.在一定的滲碳層深度范圍內(nèi)，隨著滲碳層深度的增加，滲碳件的疲勞極限、抗彎強(qiáng)度及耐磨性都將增加。但滲碳層深度超過(guò)一定限度后，疲勞極限反而隨滲碳層深度的增加而降低，而且滲碳層過(guò)深，滲碳件的沖擊韌性也太低。故滲碳件所要求的滲碳深度δ，應(yīng)根據(jù)其具體尺寸及工作條件來(lái)確定，下列經(jīng)驗(yàn)公式可供參考：

軸類(lèi)：δ=（0.1～0.2）R R——半徑（mm）

齒輪：δ=（0.2～0.3）m m——模數(shù)（mm）

薄片工件：δ=（0.2～0.3）t t——厚度（mm）

工件在工作條件下磨損較小時(shí)，δ值取小些；磨損較大時(shí)，δ值取大些。

3.碳在γ-Fe中的擴(kuò)散系數(shù)隨著溫度的升高而急劇增加。當(dāng)溫度一定時(shí)，滲層深度與滲碳時(shí)間呈拋物線的關(guān)系，可見(jiàn)溫度和時(shí)間對(duì)滲層深度起主要影響。在時(shí)間、氣氛相同的條件下，提高滲碳溫度，可以大大加快滲碳速度，使得表面碳濃度高、濃度梯度平緩；降低滲碳溫度，效果則相反，因此提高滲碳溫度對(duì)加速滲碳有利。淺層滲碳溫度不宜太高，若溫度太高，滲碳時(shí)間不宜控制，會(huì)影響滲層的深度；同時(shí)溫度太高心部組織易于粗化，增加心部的淬透性，使心部硬度超差。

4.若滲碳工件上有不允許高硬度的部位（如裝配孔等），應(yīng)在設(shè)計(jì)圖紙上予以注明。該部位可采用渡銅方法來(lái)防止?jié)B碳，或者采用多留加工余量方法，滲碳后，在淬火前切去該部位的滲碳層。

5.工件滲碳后必須進(jìn)行熱處理，才能有效地發(fā)揮滲碳層的作用，工件滲碳后常采用以下三種熱處理方法：

（1）直接淬火法，工件滲碳完畢，出爐經(jīng)預(yù)冷后再淬火和低溫回火的熱處理工藝。操作簡(jiǎn)便、成本低，但它只在滲碳件的心部和表層都不過(guò)熱的情況下才適用，故僅適用于本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。

（2）一次淬火法，滲碳件出爐緩冷后，再加熱到淬火溫度進(jìn)行淬火和低溫回火的熱處理工藝。此法也是適用于本質(zhì)細(xì)晶粒。

（3）二次淬火法，第一次淬火是為了細(xì)化心部組織和消除表層網(wǎng)狀滲碳體，加熱溫度選在（850℃～900℃）。第二次淬火是為了改善滲碳層的組織和性能，使其獲得細(xì)片狀馬氏體和均勻分布的碳化物顆粒，加熱溫度選在（750℃～800℃）。此法僅適用于粗晶粒鋼和使用性能要求很高的工件。

二、滲碳的缺陷和補(bǔ)救措施

1.缺陷：麻點(diǎn)

產(chǎn)生原因：形成的條件試驗(yàn)和分析的結(jié)果表明，若齒輪局部氧化皮嚴(yán)重，則經(jīng)噴丸把氧化皮打掉后即是“麻點(diǎn)”；氧化皮較輕時(shí)，由于該部位的Mn、Cr被氧化而使鋼的淬透性降低，結(jié)果在表面形成黑色組織，表現(xiàn)為軟點(diǎn)，這種齒輪易于疲勞失效；若爐內(nèi)氧分壓過(guò)高，使齒輪氧化嚴(yán)重，形成較厚氧化皮時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)連續(xù)脫碳層。

對(duì)策：由于“麻點(diǎn)”在滲碳（也能在二次加熱）過(guò)程中形成，噴丸后才能發(fā)現(xiàn)，在生產(chǎn)中應(yīng)采取以下措施：（1）嚴(yán)格工藝制度，防止?jié)B碳劑供應(yīng)不足，尤其在交接班后1h內(nèi)，要嚴(yán)格監(jiān)視排氣孔火焰高度和顏色，嚴(yán)格控制碳勢(shì)和控制齒輪空冷后的氧化；（2）嚴(yán)防爐罐漏氣；（3）嚴(yán)格控制爐溫的均勻性，避免產(chǎn)生氣氛循環(huán)不良，或上下溫差過(guò)大。例如，若下區(qū)比上區(qū)溫度高，當(dāng)上區(qū)碳勢(shì)適中時(shí)，下區(qū)則可因溫度偏高而使同樣的氣氛呈現(xiàn)氧化性。

2.缺陷：畸變

產(chǎn)生原因：零件兩端有效厚度尺寸相差較大，導(dǎo)致零件各部位變形情況差異很大。壁厚大的一端在淬火過(guò)程中，由于壁厚較大，內(nèi)外層馬氏體轉(zhuǎn)變的不等時(shí)性增加，造成組織應(yīng)力增大。熱應(yīng)力相對(duì)比較小，組織應(yīng)力占主導(dǎo)地位，由于馬氏體組織轉(zhuǎn)變而發(fā)生體積膨脹，工件心部受壓，表面受拉，表現(xiàn)為孔徑漲大；壁厚薄的一端熱應(yīng)力占主導(dǎo)地位，工件心部受拉，表面受壓，表現(xiàn)為孔徑縮小。

對(duì)策：（1）降低淬火溫度以相對(duì)降低零件從高溫冷卻下來(lái)的溫差，從而減小滲碳淬火零件由于熱應(yīng)力而引起的畸變；（2）提高淬火油溫度減小變形，因?yàn)橛偷臏囟忍岣?，流?dòng)性隨之改善，更易均勻地上下循環(huán)流動(dòng)，以利于零件均勻冷卻，減小變形。

3.缺陷：裂紋

產(chǎn)生原因：由于共析層形成馬氏體，受拉應(yīng)力引起，而馬氏體形成的原因是工藝?yán)鋮s（空冷）不妥所造成的。

對(duì)策：避免馬氏體形成，只有在冷于空氣的冷卻速度下改變緩慢冷卻方法，才能使共析層的過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w或珠光體。其具體措施如下：（1）滲碳出爐后，應(yīng)立即將滲碳罐和零件置于滲碳保溫坑中蓋好蓋子，與空氣隔絕緩慢冷卻。（2）若沒(méi)有保溫坑裝置，可將滲碳罐和滲碳工件轉(zhuǎn)入RJJ-36-6、RJJ-75-9、RJX-45等電爐內(nèi)（不升溫），蓋上爐蓋進(jìn)行緩冷。

總之，滲碳是化學(xué)熱處理中重要而且常用的一種工藝方法。作為熱處理技術(shù)人員要多學(xué)習(xí)先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，多實(shí)驗(yàn)，多分析，掌握更多的知識(shí)，努力提高自身素質(zhì)和技術(shù)水平，更好地利用滲碳這種工藝，更充分發(fā)揮材料的性能潛力，延長(zhǎng)零件的使用壽命，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。

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