20CrMoH鋼的真空低壓滲碳工藝模擬及優化

王碩彬， 叢培武， 陳旭陽， 范 雷， 王 同

(北京機電研究所有限公司， 北京 100083)

在真空條件下對工件進行滲碳，可以有效避免滲層因晶間氧化而出現黑色組織和表面脫碳現象，能夠改善工件的性能，使工件從表面到心部形成一定的碳濃度梯度，滿足工件表層高硬度、高耐磨性且心部具有良好的塑性與韌性，即“外硬內韌”的工藝要求。真空低壓滲碳工藝靈活、生產成本低，同時較環保。滲碳后工件表層奧氏體中碳濃度快速飽和，克服了普通氣體滲碳的缺點，具有滲層均勻性好、滲層組織優良、表面碳濃度波動性小、自動化程度高、環境污染小等特點[1-3]。美、德、日等發達國家的真空低壓滲碳工藝已經比較成熟，產品廣泛應用于工業領域，而我國在真空低壓滲碳工藝的研究方面還相對落后。基于擴散原理和工藝控制路徑，采用工藝軟件和試驗結合的方式將會是未來真空低壓滲碳工藝優化的新思路。

20CrMoH鋼具有良好的力學性能和相對經濟的特點，被廣泛應用于制造中小模數齒輪、軸類等，例如汽車后橋齒輪和變速箱齒輪。該低碳合金鋼由于含有Mo元素，具有良好的淬透性。同時這種材料冶煉工藝穩定，熱變形較小，無回火脆性，滲碳和碳氮共滲工藝性良好。但是其摩擦學性能較差，在使用現場容易出現磨損故障。因此本文選用20CrMoH鋼作為驗證優化低壓滲碳軟件工藝的試驗材料。

1 試驗材料

試驗材料20CrMoH鋼的主要化學成分如表1所示。

采用圖1所示3種試樣，試樣1為φ25 mm×10 mm齒形滲碳試樣，試樣2為規格約φ66 mm×30 mm的錐齒輪產品，試樣3為φ38 mm×100 mm圓棒。試樣1和試樣2 用于對比驗證軟件預測滲層深度的誤差，試樣3用于驗證軟件對滲層表面碳含量的預測。

2 滲碳工藝模擬軟件和設備

2.1 真空滲碳工藝軟件

真空低壓滲碳工藝軟件是一款服務于工業熱處理生產的軟件，具備工藝計算和工藝數據庫兩大功能模塊。該軟件是一款基于Fick 第二定律和飽和值調整法工藝控制路徑，結合真空低壓滲碳工藝編寫而成的算法計算程序。如圖2所示，在計算功能中，只需輸入工件的基本信息(工件編碼、材料、滲碳溫度、有效厚度、工件表面積、工件數量)、計算參數(飽和碳含量、擴散碳含量、最終碳含量)和滲層深度等，就能通過計算自動生成工件的滲碳工藝參數，包括加熱時間、保溫時間、滲碳壓力、C2H2流量、滲碳時間、擴散時間等，并自動將數據存儲至工藝數據庫。在工藝數據庫功能中，可以查看計算得到的真空滲碳工藝數據和相關曲線，試驗驗證后可修正工藝數據，豐富完善滲碳工藝數據庫。

圖2 真空低壓滲碳工藝軟件工藝計算界面Fig.2 Process calculation interface of low-pressure carburizing process software

2.2 滲碳試驗設備

本文所有的滲碳試驗均在WZSTQ45型真空滲碳設備(見圖3)上完成，該設備主體為臥式雙層水冷結構，由爐體、爐膽、熱閘閥、滲碳氣氛控制系統、送取料機構、淬火機構、真空系統、電控系統、充氣系統、水冷系統及裝出料小車組成[4]。其主要參數如表2所示。

圖3 真空滲碳設備Fig.3 Vacuum carburizing equipment

表2 真空滲碳設備的主要參數

3 工藝設計

真空滲碳工藝過程主要包括3個階段，工藝曲線如圖4所示。

圖4 真空滲碳工藝曲線Fig.4 Process curve of the vacuum carburizing

加熱保溫階段：真空爐將試樣以22 ℃/min 加熱至650 ℃預熱，保溫一段時間，再升溫至滲碳溫度均熱，使組織奧氏體化；本次試驗選用常用的滲碳溫度930 ℃和960 ℃。

滲碳階段：滲碳壓力為800 Pa，采用滲碳脈沖方式(一個脈沖滲碳包括充氣+保壓+抽氣)向爐膛內充入高純乙炔(C2H2)氣體，充氣時間26 s，保壓時間 20～25 s。在真空低壓滲碳工藝軟件中，利用飽和值調整法，將滲碳過程細分為多個小的滲碳期和擴散期，避免了傳統的一段式或兩段式滲碳導致的表面碳化物級別過高的問題[5]。

淬火階段:先將試樣冷至850 ℃再進行油淬，之后進行回火處理。

4 軟件模擬與試驗驗證

按前述真空滲碳工藝參數的選擇，以20CrMoH鋼為試驗材料，對比分析滲層深度和表面碳含量的軟件預測結果和試驗檢測結果。總共進行7爐次滲碳試驗，試驗采用的滲碳和擴散脈沖時長通過滲碳軟件的飽和值調整法獲得，方案A、D、F是最初設計試驗方案，B、C、E、G是在該基礎上進行的調整方案。滲碳和擴散時間由滲碳軟件模擬獲得并向上取整，如表3所示。

表3 真空滲碳工藝方案

4.1 有效硬化層深度

有效硬化層即滲層深度是滲碳零件的重要檢驗指標。根據GB/T 9450—2005《鋼件滲碳淬火硬度層深度的測定和校核》規定，以試樣顯微硬度550 HV處到表面距離定義為滲碳層的有效硬化層深度。首先，選960 ℃為滲碳溫度，設計有效滲層深度 0.8 mm。采用工藝軟件計算得到滲層深度為0.82 mm，滲碳和擴散總時長為160 min(方案A)。按照方案A進行真空滲碳試驗，檢測齒形試樣和錐齒輪試樣得到有效硬化層深度值，與預測值偏差為+0.20 mm、+0.29 mm。因為偏差較大，對軟件中的20CrMoH鋼屬性數值進行調整，包括富化率因子、擴散系數、脈沖有效時間。工藝在方案A基礎上減少原來的滲碳總時長為145 min(方案B)，然后采用工藝軟件計算得到滲層深度0.81 mm，和設計滲層深度偏差+0.01 mm。再進行一定的調整，改變擴散系數，滲碳擴散總時間降為120 min(方案C)，軟件計算得到的滲層深度為 0.79 mm。按照改進后的方案B、C，對齒形試樣和錐齒輪試樣進行真空滲碳試驗。試驗的滲層深度預測和實測結果的比較見表4，測得的試樣的顯微硬度分布曲線見圖5。

表4 不同真空滲碳方案下20CrMoH 鋼滲層深度的預測與實測結果比較

圖5 不同真空滲碳方案下20CrMoH鋼滲碳層的顯微硬度分布(a,b)方案A;(c,d)方案B;(e,f)方案C;(a,c,e)齒形樣;(b,d,f)錐齒輪樣Fig.5 Microhardness distribution of carburized layer of the 20CrMoH steel under different vacuum carburizing schemes(a,b) scheme A; (c,d) scheme B; (e,f) scheme C; (a,c,e) dentate specimen; (b,d,f) bevel gear specimen

從圖5可知，3種真空滲碳方案處理的試樣表面硬度均能達到770 HV以上。從表4可以看出，3種方案試驗測得的滲層深度都大于0.8 mm， B方案試驗與預測結果偏差在+0.23 mm以內。而C方案的誤差更小，齒形樣和錐齒輪樣的實測滲層深度和預測滲層深度誤差降低到0.14 mm與0.10 mm，這說明C方案的工藝改進有明顯的效果，工藝更符合設計要求。相對齒形試樣，軟件對齒輪產品的滲碳層深度的預測值更接近實測值，準確性更高。C方案的滲碳擴散脈沖總時間相比A方案減少了40 min，明顯提高了時間效率。

就滲層深度而言，兩種試樣的試驗結果都比軟件計算結果要深，原因可能有：①試驗采用的油淬，淬硬層較深。②為了保證滲碳工藝控制程序順利執行，人為的將脈沖數向上圓整，所以試驗時的滲碳脈沖總時間比計算得到的脈沖總時間長。③軟件中材料的富化率因子、擴散系數等數據不準確，需要進一步優化。

對方案C滲碳后的齒形樣進行4%(體積分數)的硝酸酒精腐蝕處理，按照GB/T 25744—2010《鋼件滲碳淬火回火組織檢驗》和GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》進行顯微組織檢驗。從圖6的滲層顯微組織可以看出，試樣經方案C的滲碳工藝處理后表層為針狀馬氏體及殘留奧氏體，心部為低碳板條馬氏體。滲層表面碳化物為彌散分布的顆粒碳化物，評級為1級。

圖6 經方案C真空滲碳后齒形樣的顯微組織(a)表面；(b)心部；(c)表面碳化物Fig.6 Microstructure of the dentate specimen after vacuum carburizing under scheme C(a) surface; (b) core; (c) surface carbides

4.2 表面碳含量

滲碳層表面的碳含量也是檢驗工件滲碳質量的重要指標。因此進行4爐次試驗的表面碳含量預測和實測結果的比較。選擇930 ℃為滲碳溫度，設計表面碳含量(0.05 mm薄層)分別為0.75%和0.95%，采用工藝軟件分別計算兩種表面碳含量的工藝曲線并進行調整得到表3中所示的4種滲碳擴散時間方案，方案E在方案D基礎上增加了滲碳擴散脈沖數，方案G也在方案F的基礎上增加了滲碳擴散脈沖數。選用圓棒試樣進行工藝試驗，根據GB/T 20123—2006《鋼鐵總碳硫含量的測定》，采用剝層法檢測試樣距表面0.1 mm 處的碳含量，分析測試結果見表5。

表5 不同真空滲碳方案下圓棒試樣表面碳含量的預測與實測結果比較(質量分數，%)

從表5可以明顯看出4次試驗的檢測表面碳含量都低于預測的碳含量，增加滲碳擴散脈沖，表面碳含量的增加較小。對比4次試驗，0.75%表面碳含量的預測數值與檢測結果偏差-0.02%，0.95%表面碳含量的偏差-0.13%。結果表明軟件在預測碳含量為0.75% 時接近實測，預測0.95%表面碳含量時比實測偏高。對于表面碳含量高的工藝模擬只調整滲碳脈沖數量不能滿足設計要求。這可能是由于軟件中擴散系數的計算模型不準確。軟件中設置的是擴散系數與試樣中碳濃度不相關，而實際上濃度越高，擴散系數越大。此外，檢測過程存在偏差。軟件預測的是0.05 mm薄層中的碳含量，實際檢測時受限于加工條件，剝層0.1 mm檢測的碳含量。剝層時，試棒存在碳損耗。

5 結論

1) 利用真空低壓滲碳軟件模擬和試驗對比試樣滲層深度，優化了20CrMoH鋼的滲碳工藝：在800 Pa壓力和960 ℃下滲碳，保壓25 s，滲碳時間120 min，滲碳時間比原來減少了40 min。優化工藝后，軟件預測滲層深度與實測深度偏差在+0.23 mm以內，預測值與齒輪試樣實測值更接近，偏差最小達到+0.10 mm。軟件預測滲層深度與實測值基本一致。該滲碳工藝處理的20CrMoH鋼試樣，組織良好，碳化物形態達到了1級。

2) 軟件預測表面碳含量為0.75%時，比較準確，實測值最大偏差為-0.02%。當預測表面碳含量為0.95%時，實測值結果明顯偏低，最大偏差為-0.13%。

3) 以20CrMoH鋼為研究對象，驗證了真空滲碳工藝軟件及數據庫技術，在工藝設計方面能夠取得較為滿意的成果，但軟件參數數據庫仍需完善，準確性方面也有待進一步提升。