拋丸預(yù)處理對滲碳速率影響的研究

李 陽，王夢夢，王元棟

(陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司，陜西 西安 710119)

滲碳淬火是提高齒輪齒面強(qiáng)度的重要途徑。滲碳過程可分解為三個(gè)階段：滲碳劑的分解、活性碳原子的吸收、碳原子的擴(kuò)散。主要有以下幾方面因素影響滲碳速度：1)滲碳溫度；2)碳勢；3)表面活性與吸附面積。溫度越高，滲碳速率越快，但追求過高的滲碳溫度一方面會造成設(shè)備壽命的減少，另一方面可能會引起奧氏體晶粒的長大。碳勢值不應(yīng)超過相應(yīng)溫度的飽和碳濃度，否則會在表面積碳形成碳黑以致阻滲。表面活性可通過其它方法改變。若采用一定的機(jī)械手段或者化學(xué)手段，提高表面活性或者增加吸附面積，可能會提高滲碳速度。

文獻(xiàn)[1-2]表明通過機(jī)械手段形變預(yù)處理提高零件表面活性會提高滲氮速率。陳磊等[3]研究表明通過機(jī)械研磨的表面納米化處理有利于提高零件的滲氮速度，其研究結(jié)果表明增壓噴丸處理后的軟氮化工藝時(shí)間由10 h縮減到3 h；孫建等研究表明表面形變處理后有利于提高滲層的厚度和韌性[4-5]；魏悠悠采用分子動力學(xué)模擬研究表明表面形變處理有利于提高碳原子和氮原子的擴(kuò)散系數(shù)，減少擴(kuò)散時(shí)間[6]；超音速微粒轟擊技術(shù)對20Cr鋼表面處理后滲氮表層組織細(xì)化，相同滲氮工藝條件下擴(kuò)散層增加，表面硬度增加[7]。表面形變處理在滲氮領(lǐng)域已經(jīng)有較多研究，但對于滲碳處理，表面形變預(yù)處理是否會促進(jìn)滲碳速率尚待研究。本文通過熱處理試驗(yàn)，得出滲碳前拋丸處理與滲碳速率的關(guān)系。

1 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)對8620RH材料齒輪切塊，見圖1。在進(jìn)行拋丸形變預(yù)處理后再滲碳處理，研究拋丸形變處理對滲碳速率的影響。設(shè)定了四種工藝，研究在不同設(shè)備和工藝下滲碳前拋丸預(yù)處理對滲碳速率的影響。四種工藝A、B、C、D如表1、表2所示，A、B工藝為多用爐工藝，C、D為環(huán)形爐工藝。

圖1 齒輪試塊Fig.1 The gear specimen

表1 工藝A和工藝B參數(shù)

表2 工藝C和工藝D參數(shù)

形變預(yù)處理采用拋丸工藝，拋丸設(shè)備為QZG-S1000懸鏈通過式拋丸機(jī)；滲碳設(shè)備為AICHELIN箱式多用爐和AICHELIN 42工位環(huán)型爐；采用TUKON2500顯微硬度計(jì)檢測硬化層深；采用Alm金相顯微鏡檢測金相組織。

丸粒選取鋼絲切丸，拋丸電流強(qiáng)度為20 A。1#、4#、7#和10#試樣為對比組試樣，其余均為實(shí)驗(yàn)組試樣，實(shí)驗(yàn)組拋丸時(shí)間為8 min。將試樣放在熱處理料盤中間位置，對所有試樣進(jìn)行滲碳淬火→清洗→回火處理，回火工藝均為185 ℃×3 h。采用線切割截取試樣齒寬1/2中截面，檢測1/2齒高處的硬化層深和金相組織。硬化層深檢測按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9450要求測定，為了減小檢測誤差，每個(gè)試樣測兩次。試驗(yàn)方案及硬化層深結(jié)果見表3。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 硬化層深

多用爐：A工藝的1#～3#試樣，拋丸后滲碳淬火的2#和3#試樣硬化層深平均值比1#試樣分別增加0.33和0.285 mm，增幅分別為39.2%和33.3%。B工藝的4#～6#試樣，拋丸后滲碳淬火5#和6#試樣比4#試樣分別增加0.22和0.24 mm，增幅分別為15.7%和14.1%。該結(jié)果表明熱處理前進(jìn)行拋丸處理能夠提高滲碳速率；滲碳時(shí)間較短時(shí)，促進(jìn)作用較大，促進(jìn)作用隨著時(shí)間的增加而減弱。這是因?yàn)閷由钶^深的零件，其層深的增加的限制要素是碳原子往更深層的擴(kuò)散，而影響內(nèi)部擴(kuò)散的主導(dǎo)因素是溫度和時(shí)間，表面碳原子的濃度已經(jīng)不再是主導(dǎo)因素。因此，層深超過1.6 mm后，熱處理前拋丸對滲碳速率的促進(jìn)作用減小。

表3 試驗(yàn)方案及硬化層深結(jié)果

環(huán)形爐：C工藝的7#～9#試樣，拋丸后滲碳淬火的8#和9#試樣硬化層深平均值比7#試樣分別增加0.11和0.135 mm，增幅分別為12.4%和15.2%。D工藝的10#～12#試樣，拋丸后滲碳淬火11#和12#試樣比10#試樣分別增加0.075和0.09 mm，增幅分別為5.0%和5.9%。該結(jié)果同樣表明，滲碳前拋丸可以提高滲碳速率，但隨著滲碳時(shí)間的延長促進(jìn)作用減弱。

圖2 (a)A、C工藝硬化層深；(b)B、D工藝硬化層深Fig.2 (a)The hardened-depth of process A and C；(b)The hardened-depth of process B and D

對比圖2中A、C兩種工藝的對比組1#和7#試樣，硬化層深接近，均在0.85～0.90 mm范圍內(nèi)；但工藝A實(shí)驗(yàn)組的硬化層深比工藝C的深0.15 mm。與之類似，工藝B、D的對比組4#和10#試樣的硬化層深接近，但工藝B實(shí)驗(yàn)組5#、6#的硬化層深比11#和12#的深約0.15 mm。表明進(jìn)行拋丸預(yù)處理后，多用爐滲碳速率的提升幅度大于環(huán)形爐。

拋丸形變預(yù)處理可增加滲碳速率，且增加幅度隨著硬化層深的增加而減小，多用爐處理的零件的增幅較環(huán)形爐大。環(huán)形爐帶有預(yù)氧化設(shè)備，在滲碳前對表面進(jìn)行380 ℃×2 h的預(yù)氧化，使得表面活化，增加活性碳原子的吸附速率。表面拋丸的作用也是提高表面活性碳原子的吸附速率，而在一定的碳勢條件下，兩者的作用類似。因此對預(yù)氧化的零件滲碳前拋丸處理引起的滲碳速率增幅很小。

2.2 硬度梯度

對回火試樣進(jìn)行切割制樣，采用顯微硬度計(jì)檢測硬度梯度，如圖3所示。為了減小測量誤差，其硬度值為3個(gè)齒的齒面1/2齒高處硬度值的平均值。

多用爐滲碳試樣的硬度梯度見圖3(a)，在表面碳濃度較高的過共析層，滲碳前拋丸與未拋丸試樣的硬度值接近，無顯著差異。在過渡區(qū)，在距離表面0.4～1.2 mm范圍內(nèi)，隨著深度的增加，同一位置的硬度差值從30 HV逐漸增加到100 HV。B工藝所得層深較深的4#～6#試樣，在距離表面0.9～1.6 mm范圍內(nèi)，同一位置的硬度差值從10 HV逐漸增加到60 HV。而硬度增加的主要原因是馬氏體中碳濃度的增加，這表明拋丸處理也提高了過渡層的含碳量。

環(huán)形爐滲碳淬火處理試樣的硬度，如圖3(b)所示。在表面過共析層，兩者的硬度無顯著差異。在過渡區(qū)，同一深度處，預(yù)氧化前進(jìn)行拋丸處理的零件的硬度值比未進(jìn)行拋丸處理的零件的硬度值略高10～30 HV。這說明了在此種工藝下拋丸預(yù)處理可以促進(jìn)滲碳速率，但提升作用較小。

2.3 金相分析

1#、2#試樣的表面滲層金相組織如圖4所示。圖中黑色組織為馬氏體，白色組織為殘余奧氏體，根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TES003中對滲碳淬火金相組織的評級圖譜，1#和2#試樣的殘余奧氏體分別為B級和C級。2#試樣中殘余奧氏體的含量略高于1#試樣，即滲碳前拋丸預(yù)處理的金相組織中的殘余奧氏體含量高。

在相同的淬火溫度和淬火工藝條件下，殘余奧氏體的含量主要與滲碳層的含碳量有關(guān)，含碳量越高，殘余奧氏體的含量越高。滲碳前拋丸處理的組織中殘余奧氏體含量略高于未拋丸預(yù)處理的零件也是含碳量較高的一種體現(xiàn)。在碳含量大于共析成分碳含量時(shí)，該碳原子都處于固溶于奧氏體狀態(tài)，碳含量的增加引起C曲線的右移，馬氏體轉(zhuǎn)變Ms點(diǎn)和Mf點(diǎn)都下降，殘余奧氏體含量增加。所以拋丸預(yù)處理后殘余奧氏體含量略有所增加。

(a)多用爐；(b) 環(huán)形爐圖3 滲碳試樣硬度梯度(a)multi purpose furnace; (b) annular furnaceFig.3 The hardness gradient of carburized samples

(a)1# 試樣； (b)2#試樣圖4 試樣表面金相組織(a)1# sample； (b)2# sampleFig.4 Microstructure of sample surface

3 結(jié)論

1)拋丸形變預(yù)處理可增加滲碳速率，提高滲碳層中的含碳量，從而增加滲碳層的硬度；

2)拋丸形變預(yù)處理對滲碳速率的提升幅度隨著滲碳層深增加而減小；

3)對于進(jìn)行預(yù)氧化處理的零件，拋丸預(yù)處理會提高滲碳速率，但對滲碳速率提升的幅度較低。