20CrMnTi鋼零件表面處理工藝研究進展

李亞東,孟琴琴,薛 鑫,彭超峰

(湖南工業大學,湖南株洲 412000)

20CrMnTi鋼零件表面處理工藝研究進展

李亞東,孟琴琴,薛 鑫,彭超峰

(湖南工業大學,湖南株洲 412000)

介紹了低碳鋼的滲碳技術的發展,由傳統的滴注式滲碳往稀土滲碳和真空滲碳發展,解決了生產周期長、效率低、產品質量不高等問題。但是稀土滲碳和真空滲碳的技術要求高,在工廠生產中不能普及,所以改進快速壓力滲碳技術是目前大多數工廠提高效益的方法。

20CrMnTi;氣體滲碳;碳氮共滲

20CrMnTi是滲碳鋼,多用于齒輪、軸類、活塞類零配件等。滲碳鋼通常為含碳量為 0.17%～0.24%的低碳鋼,汽車上多用其制造傳動齒輪。20CrMnTi是中淬透性滲碳鋼,其中含有Cr、Mn、Ti,所以淬透性較高,在保證淬透情況下,具有較高的強度和韌性,特別是具有較高的低溫沖擊韌性。20CrMnTi經過表面滲碳硬化處理,具有良好的加工性,加工變形微小,抗疲勞性能相當好。

1 滲碳技術

1.1 滴注式氣體滲碳技術

滴注式氣體滲碳是中、小型企業中廣泛采用的一種滲碳方法[1],其工藝過程總的為升溫排氣、滲碳、降溫冷卻。向滲碳爐內滴注液態煤油,經過加熱分解,形成含CH4、CO、H2及少量的CO2、H2O、O2的氣氛。其中CH4及CO在與爐罐及鋼件表面接觸時發生分解產生活性碳原子滲入工件表面。其中滲碳劑是將兩種有機溶劑配合使用,一種是滲碳能力強的,高溫分解后形成滲碳氣體;另一種是滲碳能力弱的,高溫分解后形成稀釋氣體。這樣配合可以達到較好的滲碳效果。

1.2 快速壓力滲碳技術

近幾年出現了一種快速壓力滲碳工藝[2],它是一種采用提高爐內壓力,并適當增加滲碳劑量,進行快速壓力滲碳的工藝。與一般的滲碳工藝相比,在各項技術指標均能滿足要求的情況下,快速壓力滲碳工藝具有滲碳周期短、滲碳速度快的特點。這種工藝從三個方面影響:

1.在一定的溫度下,從滲劑(如煤油)中裂化成的CO分解出活性碳原子[C]提高滲碳爐內壓力,有利于向摩爾數減小的方向即生成活性碳原子的方向進行。滲劑中的擴散是指滲碳反應生成的活性碳原子向工件表面的擴散及相界面反應產物從界面逸散的過程。提高爐內壓力,即提高了爐內氣體分子的密度和分壓,也就提高了氣氛中的活性碳原子的密度,即提高了氣氛中的碳勢。氣氛中碳勢的提高,可增大氣氛中的碳濃度梯度,根據菲克第一擴散定理,即可提高氣氛中碳原子的擴散通量,可強化外擴散過程。

2.活性碳原子與工件表面原子間是依靠范得華力以及其他短程作用力的作用所進行的吸附,為物理吸附。由于進行物理吸附需要的時間較長,提高滲碳爐內壓力,不僅提高了爐內氣體分子或原子的密度,而且也提高了它們的靜壓能,使得它們具有較大的運動速度,從而加快了工件表面對活性碳原子的物理吸附速度,即在單位時間內,增大了物理吸附量。

3.提高滲碳爐內壓力,不僅可增大工件表面的碳濃度,從而提高工件表面與心部的濃度梯度,且對擴散系數也有影響,使擴散系數也得到提高。使得碳原子在工件內的內擴散速度得到了十分明顯的提高。

2 滲碳技術目前存在的問題

提高滲碳溫度可以使滲碳層深度增加,但是一方面,滲碳層深度過深,工藝時間長,不經濟,而且淬火后表層的壓應力下降,不能提高表面的疲勞強度;另一方面,過高的滲碳溫度會導致奧氏體晶粒顯著長大,使滲碳件的組織和性能惡化,并且增加工件的變形,縮短設備使用壽命。提高滲碳時間可以使碳質量分數梯度趨于平緩,但是耗費電量大,成本高。另外,若控制溫度和時間不當,會出現工件變形、滲層出現大塊或網狀碳化物、殘余奧氏體過多、滲層深度不均勻、甚至出現黑色組織和反常組織。

快速壓力滲碳工藝的不足之處是產生的碳黑較多,對滲碳設備壽命有一定的影響,應注意控制滲碳劑的用量。因此目前研究的方向就是在原有的基礎上減免這些不足之處。

3 碳氮共滲技術

傳統的氣體滲碳技術只是單純的滲碳[3],該技術的不足是零件在滲碳期溫度高、滲速低、畸變大,且始終處于高碳勢狀態,表面極易堆積大量的活性碳原子,影響滲碳和滲層濃度梯度分布,雖經擴散階段擴散,但工件難以獲得良好的滲碳速度和滲層濃度梯度分布。碳氮共滲可以提高工件耐磨性、強度及疲勞極限,以充分發揮材料的潛在性能。氣體碳氮共滲是在20世紀60年代被大量研究,70年代得到廣泛使用的一項傳統熱處理技術。通過將工件在爐內共滲,對碳勢和氮勢設定,從而降低滲碳溫度,增強工件表面對活性碳、氮原子的物理和化學吸附作用,提高碳原子擴散系數和擴散速度,在短時間內提高工件的滲碳速度,減輕了工件的畸變。改善滲層的碳濃度梯度,使滲層碳濃度變得平緩,淬火后獲得良好的硬度梯度和金相組織,提高產品的內在質量和使用壽命。該技術由于氮的滲入使鋼的臨界點(A1、A3)下移[2],可以適當降低氮的滲入使鋼的臨界點低于淬火溫度,提供了進一步減少淬火變形的可能。氮的滲入還使淬透性增加,所以除合金鋼外,碳素鋼也可以實施碳氮共滲及油淬處理,從而提高硬度和表面耐磨性。這兩個特點也正是該技術被廣泛應用的原因。

3.1 稀土碳氮共滲技術

為解決氣體碳氮共滲生產周期長、能耗大等問題,國內許多單位已開展了把稀土應用在碳氮共滲中。稀土具有很高的化學活性和較大的原子半徑,加入到有色金屬及其合金中,可細化晶粒、防止偏析、除氣、除雜和凈化以及改善金相組織等作用,從而達到改善機械性能、物理性能和加工性能等綜合目的。由于稀土元素具有特定的電子結構和很高的化學活性,因此對鋼材的滲氮、滲碳過程有顯著的活性催滲作用,并能有效改善工件表層的組織和性能[4]。加入稀土后,催滲效果顯著,尤其是短時間的共滲工藝。滲層深度隨時間的延長呈近似拋物線增加,同一處理時間內,同一材料加稀土的碳-氮共滲,滲層厚度比不加稀土的碳-氮共滲的厚度厚。因此,在同等條件下,稀土加速了碳、氮元素在鋼材中的滲入。

3.2 低壓真空碳氮共滲技術

目前碳氮共滲的方向是低壓真空滲碳[5],碳氮共滲是熱處理生產周期較長,生產成本較高的工藝過程。常規碳氮共滲過程氣氛中有微量氧的存在,導致的內氧化問題一直困擾滲碳件質量的進一步提高。近年來,新的滲碳技術——低壓真空滲碳在生產上的成功應用,有效地解決了常規滲碳難以解決的內氧化等難題。20世紀末到本世紀初以來,出現了一種預抽真空式碳氮共滲技術。從C、N來源和使用滲劑方法來看,共滲機理、結果和氣體碳氮共滲是一樣的。滲層組織中仍有表面晶界氧化層,并無法杜絕。不過此法由于使用了真空排氣和密封技術,不僅工藝過程縮短,效率提高,滲劑使用量略有減少,而且晶界氧化層深度也有所減輕。據有關資料介紹可減 50%。本世紀以來,H.Altena和F.Schrank介紹了往真空爐中通入丙烷、氨氣的新技術來提高合金鋼和非合金鋼的表面硬度,借助真空中工藝過程的控制來影響金屬表層碳、氮濃度及滲層的深度,說明了碳、氮滲入的過程和影響因素,報道了關于設備的構想。2004年日本專利公開,該專利提到的新技術特征:在真空爐內,工件被加熱至滲碳溫度,通入滲碳氣體進行滲碳、擴散,然后降低溫度,再向真空狀態的爐內通入滲氮氣體,進行滲氮。碳鋼或表面硬化鋼用這種新技術都可以得到要求的表面硬度、層深和韌性,該專利曾有應用于汽車零件批量生產的報道。

在真空(低壓)碳氮共滲的滲劑(碳氫化合物、氨氣)中沒有含氧介質,金屬表面的化學反應是100～3 000 Pa的真空狀態下單向的分解反應,其中C和N的滲入是同時,或是C先、N后,說法不一。但在碳氮共滲過程中,一旦停止氣源供應,表層C繼續向金屬內部擴散,呈現非平衡態;而N則從金屬表面溢出,呈現平衡態,或者說此時已滲入金屬內,同時向金屬內部和表面兩個方向擴散,這些特點對工藝有重要影響。真空碳氮共滲除保留氣體碳氮共滲特點外,滲劑氣體中無含氧介質,滲層組織中可以杜絕晶界氧化層,共滲壓力低,使用的滲劑氣體量少,廢氣排放量也大幅度減少。在低壓滲碳過程中,滲碳室始終保持負壓力,滲碳過程采用滲碳擴散交替進行的方式進行,滲碳氣體為丙烷,擴散期通入高純氮氣。在同樣滲碳溫度下,低壓滲碳達到相同滲層深度的時間較常規滲碳短50%左右。另外,低壓滲碳溫度可以提高1 000℃,對于機械性能要求不嚴格的零件可以采用高溫度滲碳工藝,進一步提高滲碳速度,提高生產效率降低成本。

4 碳氮共滲的前景

我國感應熱處理技術水平和工業發達國家相比,還存在一些差距,例如:在材料方面的低淬鋼、非調質鋼和可控淬透性鋼的應用;在淬火機床的數控技術、計算機技術及精密機械傳動技術的應用;在電源方面的高質量、高可靠性的功率元件的開發;以及精密感應器的制造技術等等。為縮短這些差距,國內同行仍需付出巨大努力。2010年機械工業累計完成工業總產值14.38萬億元,工業銷售產值14.06萬億元,同比分別增長33.93%和34.26%。我國機械工業產業規模持續發展,20CrMnTi多用于齒輪、軸類、活塞類零配件等,需求大增。2010年,我國汽車產量已達到1 800萬輛,僅汽車行業的滲碳鋼需求量就要100萬t以上。在機械工業總值中滲碳鋼占了5%～8%,碳氮共滲還是有很大的前景的。

20CrMnTi多用于齒輪、軸類、活塞類零配件等。20CrMnTi經過表面滲碳硬化處理,具有良好的加工性,加工變形微小,抗疲勞性能相當好。在保證淬透情況下,具有較高的強度和韌性,特別是具有較高的低溫沖擊韌性。所以,20CrMnTi在滲碳鋼中應用是最廣泛的。

5 結 語

1.鋼的碳氮共滲研究方向是稀土滲碳和真空滲碳,這種工藝能很好地解決傳統滴注式滲碳工藝的網狀滲碳物過多和殘余奧氏體過多的問題。

2.由于真空滲碳等工藝的技術要求高,機器要求先進,很多國內工廠達不到要求,所以改變快速壓力滲碳技術可以更好地滿足現在國內工廠的技術要求。

[1] 樊東黎,徐躍明,佟曉輝.熱處理工程師手冊(第二版)[M].北京:機械工業出版社,2005.327.

[2] 劉利平,李愛云,王云昌.快速壓力滲碳工藝及其機理分析[J].熱加工工藝,2004,(6):25-28.

[3] 付繼業,皮志勇,于淑珍.碳氮共滲技術的研究與應用[J].金屬加工,2010,(19):27-30.

[4] 羅武,何生.滴注式稀土碳氮共滲工藝研究[J].材料熱處理, 2007,(36):56-58.

[5] 趙振東.低壓真空滲碳氣淬技術的應用[J].國外金屬熱處理, 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

李亞東(1989-),男,本科生,主要從事金屬材料研究。

2011-06-25