滴入式氣體硫氮碳共滲工藝研究及在生產中的應用

高紅花

摘 要：熱處理技術是提高機械零件綜合性能和使用壽命的關鍵技術之一，化學熱處理是熱處理工藝的一項重要內容，加強對化學熱處理技術的研究和應用能大大提高機器零件的綜合性能，改善其切削加工性能和延長零件的使用壽命，本文從氣體硫氮碳共滲的工藝研究出發探索其工藝規律，并將其應用到實際生產中，尤其在汽車齒輪制造中取得了較好的效果。

關鍵詞：氣體硫氮碳共滲 工藝研究 生產應用

中圖分類號：TE243 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）08（a）-0098-02

化學熱處理能最大限度地改善機械零件的綜合機械性能及加工工藝性能，延長機械零件的使用壽命。由此，對化學熱處理的工藝研究并將研究成果應用于生產中，具有非常重要現實價值。本文以硫氮碳共滲的工藝研究為例，詳細介紹了向鋼中加入硫、氮、碳3種元素的工藝措施，并且也介紹了3種元素加入后對鋼的化學成分、組織結構、綜合機械性能以及切削加工性能的影響。

1 滴入式硫氮碳共滲工藝內容

滴入式硫氮碳共滲工藝中是以氨氣、氮氣、含硫的化合物通過按時按量滴入到熱處理氣氛爐內氣化后形成一定比例的混合氣體，在一定的溫度和壓力條件下，讓混合氣體與鋼鐵形成碳化物、氮化物或硫化物，從而向鋼鐵表層擴散、滲入[1]。

滴入式硫氮碳共滲工藝條件：（1）生產設備須帶有氣體滴注裝置，氣體滲氮井式氣氛爐或箱式氣氛爐；（2）工作溫度通常在650℃左右；（3）工藝過程參數：待處理的零件隨爐加熱到300℃時開始通入氨氣，對于體積為30m3的氣氛爐，氨氣的通入量為23～25L/min；并滴注含硫和碳的液態滲劑，含硫的滲劑的滴入量為每分鐘8～10滴，含碳的滲劑滴入量為每分鐘6～8滴。爐溫加熱到570℃～580℃，視零件的材料、形狀、懸掛方式以及滲層厚度要求的不同，保溫時間各不相同，通常情況下，硫氮碳共滲的工藝時間為4～20h。

2 滴入式硫氮碳共滲工藝要求

為了確保獲得較好滲層質量，硫氮碳共滲化學熱處理設備的氣體共滲罐內這些參數要穩定：溫度、壓力、氣體含量、混合氣的均勻性；同時要保證設備加熱速度和保溫效果；要求合理地設置進、排氣口的位置和風口大小，在共滲罐增設混合氣導流板和循環風機，合理地擺放待滲的零件，讓爐內共滲混合氣與待滲的零件充分均勻地接觸；此外，改善溫度均勻性和混合氣循環流動的另一辦法是強制氣流循環。可以在井式或箱式氣體共滲罐內設置導風板槽和循環風罩，或采用氣壓脈沖式周期變化的送風、抽風設備。以保證設備內有優良的溫度、濃度穩定性和均勻性，從而保證爐內待滲零件滲層厚度及化學元素分布的均勻性和一致性，獲得較好的滲層質量[2]。

此外，設備的密封性和共滲室內風機運行狀況及導流板的效果是保證氣體壓力穩定和混合氣濃度的關鍵因素。采用導風板和爐內循環風扇進行爐內氣體循環的裝置，必須設法保證爐內風扇軸、進風口、排風口以及滲劑滴入口等處的密封，密封性的好壞不僅直接影響待滲零件表面滲層質量，也會影響到工作環境和廢氣排放量。爐內含有硫、碳、氮、氫、氧等多種化學元素，在高溫下會發生化學反應產生一些有害氣體，如果爐氣泄漏將會造成環境污染，也會使待滲入的各種元素含量不穩定，使滲層的金相組織和機械性能難以達到目標要求，因此必須要確保共滲爐有良好的密封性。

3 滴入式硫氮碳共滲工藝對于零件機械性能影響及應用

氣體硫氮碳共滲工藝之所以能獲得廣泛應用和快速發展，除了它的滲層性能優良以外，而且這種工藝方案適用范圍廣泛，除了非金屬和不銹鋼以外的鋼都可以處理，經過硫氮碳共滲處理的零件精加工余量少或者不加工，這樣可以節約加工成本；硫氮碳共滲處理的零件還具有形狀和尺寸變化小等優點。

滴入式硫氮碳共滲工藝處理的零件，硫氮碳共滲層除了具有較高的硬度外，還能獲得很好的耐粘結性，耐腐蝕性和耐磨性。如20CrMnTi制造的齒輪經過滴入式硫氮碳共滲處理后，在80～90W齒輪油潤滑的條件下工作，其共滲層的耐粘結性遠遠超過經過淬火處理的45鋼材料鋼制齒輪，也遠優于45鋼調質后的耐磨性能，甚至比高頻感應加熱淬火的鋼的硬度還高；在潤滑條件欠佳的情況下，滴入式氣體硫氮碳共滲處理的零件的耐腐蝕性大大高于正火調質狀態的鋼材。

經滴入式氣體氮碳共滲處理的零件的滲層還具有良好的抗咬合能力和較高的疲勞強度。在浸油潤滑條件下，滴入式氣體氮碳共滲處理的零件抗咬合能力明顯高于經過調質狀態、淬火和滲碳淬火處理的同類鋼制機械零件。45鋼制的汽車差速器行星齒輪軸經過硫氮碳氣體共滲處理后接觸疲勞強度可達到1560MPa，比未經過滴入式氣體氮碳共滲處理的零件處理的45鋼材（經過正火處理）提高了190%以上；經氣體硫氮碳共滲處理變速器中的變速齒輪，其單齒彎曲疲勞強度達到485MPa，比經過高頻感應加熱淬火的45材料制造的齒輪的疲勞強度提高了近40%。

硫氮碳共滲化學熱處理工藝研究成功之后已在工廠投入大批量生產應用。

（1）液壓泵柱塞。材質為20CrMo鋼，原處理工藝為調質或正火，試驗驗證于處于邊界潤滑條件，磨損量為0.05時使用時間僅為5000h。現采用氣體碳氮共滲處理，耐磨性提高了5倍，產品合格率100%。如果在共滲處理前采用正火和高溫時效作為預先熱處理，還可以顯著降低柱塞在共滲時的彎曲變形[3]，對于直徑為20mm長度為150mm以內的絲柱塞，彎曲變形量僅為0.1mm，彎曲變形程度遠小于正火或調質處理的零件。

（2）模具沖頭。原材料為GCr15鋼，淬火處理。工作時與T10A離子滲氮凹模組成一個間隙配合的運動副，短期使用后即發生嚴重磨損而無法使用。現將GCr15鋼制沖頭經氣體硫碳氮共滲處理，模具使用兩年后仍未出現早期磨損，也未發生過質量異常事故。模具使用壽命超過了10萬件。

（3）電動汽車減速器內嚙合齒輪。制造材料為45鋼和40Cr鋼，采用高頻感應加熱淬火，變形大，加工余量大，加工成本高；磨損快，使用壽命短。經調整將其熱處理工藝改為滴入式氣體硫碳氮共滲處理，單齒彎曲疲勞強度提高約30%，耐磨性提高了3倍，運轉噪聲降低1～2dB。這里需要指出的是，由于氣體硫碳氮共滲后輪齒靜彎強度較低（僅為高頻感應加熱淬火的70%～80%），抗沖擊能力略有下降，采用氣體硫氮碳共滲工藝齒輪不適用與轉速很低、傳遞扭矩很大或承受較大沖擊負荷的齒輪。

4 結語

生產實踐證明，滴入式硫氮碳共滲處理工藝具有熱處理溫度低，熱處理的零件變形量小，共滲層性能優良，適用范圍廣，生產成本較低，而且操作較簡單，工藝效果穩定。在裝備制造業、汽車行業、工程機械等行業具有比較廣闊的應用前景，有較高的推廣應用價值。

參考文獻

[1] 吳虎寶.曲軸氣體氮碳共滲后冷卻工藝的改進[J].熱處理，2017（1）：49.

[2] 鐘新武.氣體碳氮共滲工件質量的檢驗及控制[J].質量探索，2016，13（3）：42.

[3] 吳旭煒.氣體氮碳共滲對42CrMo鋼疲勞性能的影響[J].熱處理，2017（5）：46.