淺談低壓真空滲碳熱處理技術

吳平

（長沙中傳航空傳動有限公司，湖南 長沙 410200）

為了提高航空產(chǎn)品滲碳類零件工藝控制水平，于2010年從法國引進了一臺低壓真空滲碳爐，采用低壓真空脈沖滲碳。由于低壓真空滲碳與我廠以往可控氣氛滲碳相異之處較大，為充分發(fā)揮其優(yōu)越性，必須熟悉低壓真空滲碳工作原理，編制出合理的工藝程序，才能充分展現(xiàn)該設備的先進性。本文對脈沖滲碳過程進行了初步探討，通過多次試驗，編制多種不同材料、不同技術要求的滲碳工藝程序。

1 低壓真空滲碳

1.1 滲碳概述

不管是可控氣氛滲碳還是低壓真空滲碳，不外乎以下三個階段：（1）滲碳介質(zhì)的分解；（2）碳原子的吸收；（3）碳原子的擴散。

1.2 真空脈沖滲碳原理

（1）原理及過程：低壓真空滲碳熱處理實際上是在低壓真空狀態(tài)下，通過多個強滲（通人滲碳介質(zhì)）+擴散（通入保護氣體）與一個集中的擴散過程，達到滿足圖紙要求滲層深度的工藝過程，如圖1所示。其控制方法為“飽和值調(diào)整法”，即在強滲期使奧氏體固溶碳并飽和，在擴散期使固溶了的碳向內(nèi)部擴散達到目標要求值，通過調(diào)整滲碳、擴散時間比，達到控制表面碳濃度和滲層深度的目的。

T1：第一步乙炔時間（零件表面碳濃度達到1．18所需要的時間）。

T2：第一步擴散時間（零件表面碳濃度達擴散至0．95所需要的時間）。

圖1 滲碳、擴散脈沖過程

T3：終擴散時間（零件表面碳濃度擴散至0．85所需要的時間）。

（2）滲碳介質(zhì)：目前，國內(nèi)外低壓真空滲碳熱處理中主要采用的滲碳介質(zhì)為C3H8（丙烷）和C2H2（乙炔），我們的滲碳介質(zhì)采用的是C2H2（乙炔）。從分子式可以看出，兩者的當量碳含量分別為：81．8%、92．3%，理論上乙炔可以提供的當量活性碳原子較多。

C2H2高溫裂解反應：C2H2→2C+H2

采用乙炔可以明顯改善零件不同位置處的滲層深度均勻性和對盲孔進行滲碳。

飽和含碳量：理論上在900℃零件表面飽和含碳量可以達到1．15%，即在強滲期使奧氏體固溶并飽和，但由于材料本身合金元素的影響，表面飽和含碳量數(shù)值有所偏差，需通過實驗摸索驗證，超過這個數(shù)值就會產(chǎn)生網(wǎng)狀或角條狀碳化物，導致組織不合格（如圖2、3）。

圖2

圖3

2 程控滲碳

2.1 低壓真空滲碳應注意事項

零件進爐前應檢查各氣氛、循環(huán)水壓力值，確保在滲碳過程中流量充足，不會出現(xiàn)故障；零件滲碳（通入乙炔）前必須確保已經(jīng)升至滲碳溫度，并且零件各部位已經(jīng)均溫，所以程序中必須要求有均溫時間設定，以減小零件各部位滲層深度的差異；觀察滲碳過程中各氣氛通入時流量是否穩(wěn)定，注意設備的各項報警信息。

2.2 工藝程序的重要性

由于低壓真空滲碳爐無爐前試料口，無法用爐前試料判斷出爐時間，只能按已編程序運行，且各氣氛的時間都非常精確，工藝程序的正確性直接影響工件滲碳結(jié)果。

3 典型零件滲碳工藝程序的確定

3.1 某齒輪零件材料：18CrNi4A

（1）技術要求。該零件齒部與內(nèi)孔滲碳深度要求不一樣，齒部滲碳深度要求1．0～1．2mm，內(nèi)孔滲碳深度要求0．62～0．77mm。為保證該零件滲碳要求，必須進行2次滲碳。內(nèi)孔滲碳深度在第二次滲碳時形成，齒部滲碳深度經(jīng)過2次滲碳后形成。

第一次滲碳 (齒部 )：滲碳深度 0．85 ～ 1．0mm、表面硬度HRC≥58、金相合格；第二次滲碳(齒部、 內(nèi) 孔 )： 滲 碳 深 度 0．62 ～ 0．77mm、 表 面 硬 度HRC≥55、金相合格；Ⅰ+Ⅱ次(齒部)：滲碳深度1．0～1．2mm、表面硬度HRC≥58、金相合格。

（2）工藝試驗程序及理化測試結(jié)果：①工藝試驗程序。

第1爐（如圖4、圖5、表1）。

圖4 一次滲碳模擬參數(shù)

圖5 二次滲碳模擬參數(shù)

表1 第一爐理化測試結(jié)果

第2爐（如圖6、圖7、表2）。

圖6 一次滲碳模擬參數(shù)

圖7 二次滲碳模擬參數(shù)

表2 第二爐理化測試結(jié)果

②試驗結(jié)果分析。結(jié)合兩爐試驗結(jié)果看，第1爐工藝程序參數(shù)不合理，主要是一次滲碳飽和含碳量和最終含碳量設置偏高；第2爐試驗結(jié)果滿足技術要求值，主要是將一次滲碳的飽和含碳量和最終含碳量調(diào)低，確保與第二次滲碳濃度疊加不至于產(chǎn)生碳化物，所以，第二爐工藝試驗參數(shù)能滿足該零件齒部及內(nèi)孔不同深度滲碳技術要求，效果理想。

4 低壓真空滲碳的優(yōu)勢與不足

優(yōu)勢：滲碳速度比氣氛爐要快，齒輪齒面與齒根的滲碳深度差異小，濃度梯度較平緩。

不足：對鍍銅質(zhì)量要求比氣氛爐更高，有些零件內(nèi)孔銅層質(zhì)量很難保證，則不能在真空爐滲碳，且零件局部銅層質(zhì)量不好的不能涂防滲碳膏。

5 結(jié)語

學習并運用了低壓真空脈沖滲碳滲碳機理，為更好地使用該設備提供理論依據(jù)；通過多次試驗，確定了幾種典型零件滲碳工藝程序，涵蓋了多種材料，為其他零件真空滲碳提供了參考依據(jù)，為軍品研制及批生產(chǎn)做好了技術準備，概括了低壓真空滲碳的優(yōu)勢與不足，證實了低壓真空滲碳是沒有溶解氧的。