真空渗碳及碳氮共渗技术近况和应用

在简述真空渗碳及碳氮共渗近况的基础上，重点介绍了乙炔真空渗碳及乙炔、氨气真空碳氮共渗的效果及应用。在WZST 系列双室真空渗碳淬火炉渗碳后，渗碳层深度均匀性为±0. 05 ～0. 08 mm。
当渗碳深度为0. 97 ～1. 08 mm 时，表面碳浓度为0. 84 % ～0. 87 % 。20Cr Mo 钢制精密级齿轮真空碳氮共渗后，硬化层深0. 15 ～0. 30 mm ，硬度550 HV0. 5 ，齿轮内孔直径变形量≤0. 01 mm，且无喇叭口。

    一、真空渗碳近况

    1. 丙烷作为渗碳气的特点

    丙炳因含有丰富的“C” 源，早期真空渗碳一直采用丙烷( C3 H8) 为渗碳气。其特点如下：
    ( 1) 渗速快，可实施高温快速渗碳。
    ( 2) 渗层组织中无晶界氧化层。
    ( 3) 使复杂形状和不通孔渗碳成为可能。

    2. 丙烷作为渗碳气的问题

    ( 1) 装炉量增加，渗碳气流量增加，压力加大，炭黑也越严重。
    ( 2) 由于炭黑严重，维修频率加快。
    ( 3) 为了减轻维修量、频率，不得不减少装炉量，导致生产率低下。为此，真空渗碳停留在特殊领域、特殊零件的应用，难于推广和普及。

    3. 乙炔作为渗碳气的特点

    有人用16 MnCr5 钢试样，在1000 ℃、1 ×103Pa 时渗碳10min 后，经2 ×105Pa 氮气中快速冷却。采用4 种不同的渗碳气： 甲烷、丙烷、乙烯和乙炔。16 MnCr5 钢用各种碳氢化合物气体渗碳后碳浓度的分布曲线示于图1 。从图1 中可看出，甲烷表面碳浓度最低达0. 2 %，基本上没有渗碳能力; 乙炔表面碳浓度最高达1. 4 %，渗碳能力最强; 丙烷、乙稀结果相同，渗碳能力居中，而且相同的渗碳层深，用乙炔渗碳时碳浓度要高0. 1 % 。碳的传输能力或称富化率( g/ m2·h) 也得到相同的规律，甲烷2g/ m2 ·h ，丙烷和乙稀为120g/ m2 ·h 和130g/ m2·h ，乙炔的碳传输最大，接近150g/ m2·h 。

    更为重要的是不同渗碳气体在真空渗碳时，进入小而深的不通孔的渗碳效果。对􊚼3 mm ×90mm 的不通孔做试验，900 ℃、5 ×10 2Pa 、10 mi n 渗碳，2 ×105 Pa 氮气中快冷，再次加热至860 ℃并在5 ×10 5Pa 氮气中淬火。图2 是用不同碳化氢气体渗碳后的试验结果。从结果可以明显看出，丙烷及乙稀渗碳能力只能使不通孔深6 mm 处渗碳淬硬，> 6mm 处均未被渗上。而用乙炔进行渗碳，沿着孔的深度直至不通孔的底部90 mm全部渗上了碳，显然乙炔比丙烷或乙稀具有明显的、更强的渗碳能力。乙炔的应用使真空渗碳技术的发展进入了新的阶段，生产中炭黑的产生明显减少，维修周期拉长，效率提高，装炉量逐渐加大到300 ～700kg/ 炉。

    4. 饱和值调整法

    图3 是表示在相图上的真空渗碳工艺及饱和值调整法。气体渗碳是对渗碳气氛的碳势进行控制。真空渗碳是利用调整达到碳的固溶极限的渗碳时间，以及停止供渗碳气后的扩散时间，来控制渗碳层的方法，这就是所谓的“饱和值调整法”。

    在试验确定了渗碳气流量、压力的基础上，设定好时间参数，用自动控制的方法可以方便地确保生产质量的再现性。

    二、真空渗碳均匀性

    表1 、表2 、表3 是系列双室真空渗碳炉某些炉型均匀性测试结果。测量点和国标规定的温度均匀性5 点测温的位置一致。据这些表中数据来看，渗层深度±0. 08mm，碳浓度±0. 05 % 。

    三、真空渗碳的应用

    1. 齿轮类零件的应用

    图4 为20CrMo 齿轮类零件真空渗碳后外观，渗层深度分别是0. 38mm、0. 64mm。表4 是变形和硬度情况。

    图4 所示各类齿轮精度等级为JB179 - 60 、8DC 级，热处理后不再研磨加工，直接装配，因此变形量要尽可能小。变形大时，因电动机转速高( 1450r/ min) 会使噪声增大，甚至会使装配无法进行( 因内渐开线花键孔无法再加工) 。从表4 可知，各齿轮件变形量可控制在0. 05mm 以内。

     2. 不锈钢渗碳

    为了给耐蚀性优良的不锈钢附加高的耐磨性，可不受设备条件限制用真空渗碳的方法实现。
图5 是0Cr18Ni9 经1050 ℃、50min 渗碳后的组织，层深0. 2mm，硬度可达700 ～800HV。

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应用   技术   真空   0.   气体   齿轮   表面   金属   变形   浓度   应用   技术   真空   0.   气体   齿轮   表面   金属   变形   浓度