20CrMnTi钢零件表面处理工艺研究进展

李亚东,孟琴琴,薛 鑫,彭超峰

(湖南工业大学,湖南株洲 412000)

20CrMnTi钢零件表面处理工艺研究进展

李亚东,孟琴琴,薛 鑫,彭超峰

(湖南工业大学,湖南株洲 412000)

介绍了低碳钢的渗碳技术的发展,由传统的滴注式渗碳往稀土渗碳和真空渗碳发展,解决了生产周期长、效率低、产品质量不高等问题。但是稀土渗碳和真空渗碳的技术要求高,在工厂生产中不能普及,所以改进快速压力渗碳技术是目前大多数工厂提高效益的方法。

20CrMnTi;气体渗碳;碳氮共渗

20CrMnTi是渗碳钢,多用于齿轮、轴类、活塞类零配件等。渗碳钢通常为含碳量为 0.17%～0.24%的低碳钢,汽车上多用其制造传动齿轮。20CrMnTi是中淬透性渗碳钢,其中含有Cr、Mn、Ti,所以淬透性较高,在保证淬透情况下,具有较高的强度和韧性,特别是具有较高的低温冲击韧性。20CrMnTi经过表面渗碳硬化处理,具有良好的加工性,加工变形微小,抗疲劳性能相当好。

1 渗碳技术

1.1 滴注式气体渗碳技术

滴注式气体渗碳是中、小型企业中广泛采用的一种渗碳方法[1],其工艺过程总的为升温排气、渗碳、降温冷却。向渗碳炉内滴注液态煤油,经过加热分解,形成含CH4、CO、H2及少量的CO2、H2O、O2的气氛。其中CH4及CO在与炉罐及钢件表面接触时发生分解产生活性碳原子渗入工件表面。其中渗碳剂是将两种有机溶剂配合使用,一种是渗碳能力强的,高温分解后形成渗碳气体;另一种是渗碳能力弱的,高温分解后形成稀释气体。这样配合可以达到较好的渗碳效果。

1.2 快速压力渗碳技术

近几年出现了一种快速压力渗碳工艺[2],它是一种采用提高炉内压力,并适当增加渗碳剂量,进行快速压力渗碳的工艺。与一般的渗碳工艺相比,在各项技术指标均能满足要求的情况下,快速压力渗碳工艺具有渗碳周期短、渗碳速度快的特点。这种工艺从三个方面影响:

1.在一定的温度下,从渗剂(如煤油)中裂化成的CO分解出活性碳原子[C]提高渗碳炉内压力,有利于向摩尔数减小的方向即生成活性碳原子的方向进行。渗剂中的扩散是指渗碳反应生成的活性碳原子向工件表面的扩散及相界面反应产物从界面逸散的过程。提高炉内压力,即提高了炉内气体分子的密度和分压,也就提高了气氛中的活性碳原子的密度,即提高了气氛中的碳势。气氛中碳势的提高,可增大气氛中的碳浓度梯度,根据菲克第一扩散定理,即可提高气氛中碳原子的扩散通量,可强化外扩散过程。

2.活性碳原子与工件表面原子间是依靠范得华力以及其他短程作用力的作用所进行的吸附,为物理吸附。由于进行物理吸附需要的时间较长,提高渗碳炉内压力,不仅提高了炉内气体分子或原子的密度,而且也提高了它们的静压能,使得它们具有较大的运动速度,从而加快了工件表面对活性碳原子的物理吸附速度,即在单位时间内,增大了物理吸附量。

3.提高渗碳炉内压力,不仅可增大工件表面的碳浓度,从而提高工件表面与心部的浓度梯度,且对扩散系数也有影响,使扩散系数也得到提高。使得碳原子在工件内的内扩散速度得到了十分明显的提高。

2 渗碳技术目前存在的问题

提高渗碳温度可以使渗碳层深度增加,但是一方面,渗碳层深度过深,工艺时间长,不经济,而且淬火后表层的压应力下降,不能提高表面的疲劳强度;另一方面,过高的渗碳温度会导致奥氏体晶粒显著长大,使渗碳件的组织和性能恶化,并且增加工件的变形,缩短设备使用寿命。提高渗碳时间可以使碳质量分数梯度趋于平缓,但是耗费电量大,成本高。另外,若控制温度和时间不当,会出现工件变形、渗层出现大块或网状碳化物、残余奥氏体过多、渗层深度不均匀、甚至出现黑色组织和反常组织。

快速压力渗碳工艺的不足之处是产生的碳黑较多,对渗碳设备寿命有一定的影响,应注意控制渗碳剂的用量。因此目前研究的方向就是在原有的基础上减免这些不足之处。

3 碳氮共渗技术

传统的气体渗碳技术只是单纯的渗碳[3],该技术的不足是零件在渗碳期温度高、渗速低、畸变大,且始终处于高碳势状态,表面极易堆积大量的活性碳原子,影响渗碳和渗层浓度梯度分布,虽经扩散阶段扩散,但工件难以获得良好的渗碳速度和渗层浓度梯度分布。碳氮共渗可以提高工件耐磨性、强度及疲劳极限,以充分发挥材料的潜在性能。气体碳氮共渗是在20世纪60年代被大量研究,70年代得到广泛使用的一项传统热处理技术。通过将工件在炉内共渗,对碳势和氮势设定,从而降低渗碳温度,增强工件表面对活性碳、氮原子的物理和化学吸附作用,提高碳原子扩散系数和扩散速度,在短时间内提高工件的渗碳速度,减轻了工件的畸变。改善渗层的碳浓度梯度,使渗层碳浓度变得平缓,淬火后获得良好的硬度梯度和金相组织,提高产品的内在质量和使用寿命。该技术由于氮的渗入使钢的临界点(A1、A3)下移[2],可以适当降低氮的渗入使钢的临界点低于淬火温度,提供了进一步减少淬火变形的可能。氮的渗入还使淬透性增加,所以除合金钢外,碳素钢也可以实施碳氮共渗及油淬处理,从而提高硬度和表面耐磨性。这两个特点也正是该技术被广泛应用的原因。

3.1 稀土碳氮共渗技术

为解决气体碳氮共渗生产周期长、能耗大等问题,国内许多单位已开展了把稀土应用在碳氮共渗中。稀土具有很高的化学活性和较大的原子半径,加入到有色金属及其合金中,可细化晶粒、防止偏析、除气、除杂和净化以及改善金相组织等作用,从而达到改善机械性能、物理性能和加工性能等综合目的。由于稀土元素具有特定的电子结构和很高的化学活性,因此对钢材的渗氮、渗碳过程有显著的活性催渗作用,并能有效改善工件表层的组织和性能[4]。加入稀土后,催渗效果显著,尤其是短时间的共渗工艺。渗层深度随时间的延长呈近似抛物线增加,同一处理时间内,同一材料加稀土的碳-氮共渗,渗层厚度比不加稀土的碳-氮共渗的厚度厚。因此,在同等条件下,稀土加速了碳、氮元素在钢材中的渗入。

3.2 低压真空碳氮共渗技术

目前碳氮共渗的方向是低压真空渗碳[5],碳氮共渗是热处理生产周期较长,生产成本较高的工艺过程。常规碳氮共渗过程气氛中有微量氧的存在,导致的内氧化问题一直困扰渗碳件质量的进一步提高。近年来,新的渗碳技术——低压真空渗碳在生产上的成功应用,有效地解决了常规渗碳难以解决的内氧化等难题。20世纪末到本世纪初以来,出现了一种预抽真空式碳氮共渗技术。从C、N来源和使用渗剂方法来看,共渗机理、结果和气体碳氮共渗是一样的。渗层组织中仍有表面晶界氧化层,并无法杜绝。不过此法由于使用了真空排气和密封技术,不仅工艺过程缩短,效率提高,渗剂使用量略有减少,而且晶界氧化层深度也有所减轻。据有关资料介绍可减 50%。本世纪以来,H.Altena和F.Schrank介绍了往真空炉中通入丙烷、氨气的新技术来提高合金钢和非合金钢的表面硬度,借助真空中工艺过程的控制来影响金属表层碳、氮浓度及渗层的深度,说明了碳、氮渗入的过程和影响因素,报道了关于设备的构想。2004年日本专利公开,该专利提到的新技术特征:在真空炉内,工件被加热至渗碳温度,通入渗碳气体进行渗碳、扩散,然后降低温度,再向真空状态的炉内通入渗氮气体,进行渗氮。碳钢或表面硬化钢用这种新技术都可以得到要求的表面硬度、层深和韧性,该专利曾有应用于汽车零件批量生产的报道。

在真空(低压)碳氮共渗的渗剂(碳氢化合物、氨气)中没有含氧介质,金属表面的化学反应是100～3 000 Pa的真空状态下单向的分解反应,其中C和N的渗入是同时,或是C先、N后,说法不一。但在碳氮共渗过程中,一旦停止气源供应,表层C继续向金属内部扩散,呈现非平衡态;而N则从金属表面溢出,呈现平衡态,或者说此时已渗入金属内,同时向金属内部和表面两个方向扩散,这些特点对工艺有重要影响。真空碳氮共渗除保留气体碳氮共渗特点外,渗剂气体中无含氧介质,渗层组织中可以杜绝晶界氧化层,共渗压力低,使用的渗剂气体量少,废气排放量也大幅度减少。在低压渗碳过程中,渗碳室始终保持负压力,渗碳过程采用渗碳扩散交替进行的方式进行,渗碳气体为丙烷,扩散期通入高纯氮气。在同样渗碳温度下,低压渗碳达到相同渗层深度的时间较常规渗碳短50%左右。另外,低压渗碳温度可以提高1 000℃,对于机械性能要求不严格的零件可以采用高温度渗碳工艺,进一步提高渗碳速度,提高生产效率降低成本。

4 碳氮共渗的前景

我国感应热处理技术水平和工业发达国家相比,还存在一些差距,例如:在材料方面的低淬钢、非调质钢和可控淬透性钢的应用;在淬火机床的数控技术、计算机技术及精密机械传动技术的应用;在电源方面的高质量、高可靠性的功率元件的开发;以及精密感应器的制造技术等等。为缩短这些差距,国内同行仍需付出巨大努力。2010年机械工业累计完成工业总产值14.38万亿元,工业销售产值14.06万亿元,同比分别增长33.93%和34.26%。我国机械工业产业规模持续发展,20CrMnTi多用于齿轮、轴类、活塞类零配件等,需求大增。2010年,我国汽车产量已达到1 800万辆,仅汽车行业的渗碳钢需求量就要100万t以上。在机械工业总值中渗碳钢占了5%～8%,碳氮共渗还是有很大的前景的。

20CrMnTi多用于齿轮、轴类、活塞类零配件等。20CrMnTi经过表面渗碳硬化处理,具有良好的加工性,加工变形微小,抗疲劳性能相当好。在保证淬透情况下,具有较高的强度和韧性,特别是具有较高的低温冲击韧性。所以,20CrMnTi在渗碳钢中应用是最广泛的。

5 结 语

1.钢的碳氮共渗研究方向是稀土渗碳和真空渗碳,这种工艺能很好地解决传统滴注式渗碳工艺的网状渗碳物过多和残余奥氏体过多的问题。

2.由于真空渗碳等工艺的技术要求高,机器要求先进,很多国内工厂达不到要求,所以改变快速压力渗碳技术可以更好地满足现在国内工厂的技术要求。

[1] 樊东黎,徐跃明,佟晓辉.热处理工程师手册(第二版)[M].北京:机械工业出版社,2005.327.

[2] 刘利平,李爱云,王云昌.快速压力渗碳工艺及其机理分析[J].热加工工艺,2004,(6):25-28.

[3] 付继业,皮志勇,于淑珍.碳氮共渗技术的研究与应用[J].金属加工,2010,(19):27-30.

[4] 罗武,何生.滴注式稀土碳氮共渗工艺研究[J].材料热处理, 2007,(36):56-58.

[5] 赵振东.低压真空渗碳气淬技术的应用[J].国外金属热处理, 2005,(26):32-34.

20CrMnTi Research Progress for Surface Treatment Technology of Steel Parts

LI Ya-dong,MENG Qin-qin,XUE Xin,PENG Chao-feng
(Hunan University of Technology,Zhuzhou412000,China)

Introduce the development of the low carbon steel cementite technology.The technology has already changed from the traditional drip type carburizing to rare earth carburizing and vacuum carburizing development.Solve some problems about the long production period,the poor efficiency,low quality products.But the rare earth carburizing and vacuum carburizing need high technical requirements.In the factory the technology can’t be popularity.So improving the efficiency of the method is rapid improvement pressure carburizing technology.

20CrMnTi;gas carburizing;penetration of carbon and nitrogen together

TG142.33+9

A

1003-5540(2011)05-0045-03

李亚东(1989-),男,本科生,主要从事金属材料研究。

2011-06-25