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金属表面强化技术论坛——深层渗碳工艺——缓冲渗碳

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深层渗碳工艺 缓冲渗碳 南京高精齿轮集团有限公司 (江苏210012) 朱百智汪正兵钮堂松刘臻 1.缓冲渗碳工艺简介 本文以20CrMnMo大模数齿圈为例,分别采用 20CrMnMo作为优质渗碳钢,具有淬透性好, 两段渗碳(强渗 扩散)一球化退火一淬火一回火 韧脆转变温度低,价格比高级优质渗碳钢低等优 工艺和缓冲渗碳(强渗、多道扩散)一淬火一回火 点。然而,20CrMnMo大模数齿圈进行深层渗碳 工艺,并对试验结果进行分析对比,详细阐述缓冲 (层深≥3.Smm)处理后,渗碳层中的碳化物往往 渗碳工艺的推广价值。 呈网块状分布。有资料表明,渗后采用球化退火工 2.试验材料及渗碳工艺 艺可改善碳化物分布,但工艺周期长、设备成本明 (1)20CrMnMo大齿圈模数25,外形尺寸 显增加,为了有效解决这一问题,本文设想在深层 2460mm X 1900mm×540mm,零件重约8t, 渗碳的强渗中间过程增加多道扩散工艺,从而控制 20CrMnMo渗碳试棒尺寸 40mm×1 10mm。 齿圈表面碳势,以便在渗碳层中获得理想的碳化物 (2)两段渗碳采用德国SCHMETZ公司制造 分布形态,根据这一思路,我单位设计了缓冲渗碳 的大型井式渗碳炉,工艺曲线如图1所示。炉膛有 工艺。 效尺寸为 2800mm×2000mm,热处理过程采用计 在对不同材料的渗碳淬火工艺进行了1O多年的 算机在线控制,炉温均匀性为±5℃,碳势均匀性为 研究基础上,本文对缓冲渗碳与两段渗碳淬火工艺 0.02%。渗碳后,又对渗碳件及随炉试棒进行了3次球 特点进行了对比分析,如附表所示。 化退火处理。最后,进行了淬火、低温回火处理。 缓冲渗碳和两段渗碳工艺对比 方案 缓冲渗碳+淬火回火 两段渗碳+淬火回火 包含多个(强渗 仅包含强渗+扩散 \/ \\§6O出  工艺思路 +扩散)循环过程, 两个阶段,工艺思 强渗 扩散 降温J\炉 工艺思路复杂 路简单 60 20 2 f 渗碳保温 较长 较短 时间。 图1大模数齿圈两段渗碳工艺曲线 质量稳定 组织形态良好, 组织超标风险 性 质量稳定 高,质量不稳定 (3)缓冲渗碳缓冲渗碳工艺过程曲线如图2 20C rM nM O、 20C rNi2M O、 所示,该工艺所选用的设备与两段渗碳工艺相同。 1 7 C r N i M O 6、 20Cr2Ni4、4320、 缓冲渗碳后,也进行了淬火回火处理。 适用材料 1 7 C r N i 2 M O、 1 2 C r 2 N i 4及 20CrMnTi及8822等 12Cr2Ni3等碳化物 碳化物形成元素含 形成元素含量较低 量较高的钢种 的钢种 适用层深 深层渗碳(≥ 无层深范围 范围。 3.5mm)推荐使用 D 时间m 注:①以层深相同为前提。 ②对应适用材料。 图2大模数齿圈缓冲渗碳工艺曲线 参《I} ~燕 笔 蠹 7 1 echnology Forum rl、技术论坛 3.工艺结果与分析讨论 (1)组织形态大模数齿圈同炉试棒经不同渗 富集。因此,渗层表面的碳浓度容易超过临界值, 碳化物首先在奥氏体的晶界上析出,呈网状分布。 随着时间的延长或碳浓度进一步提高,网状碳化物 可能向晶内长大,碳化物也可能单独在晶内析出, 呈角状、块状分布。 由图3b可知,经两段渗碳+球化退火+淬火回火 工艺处理后,20CrMnMo渗层组织由回火马氏体、 碳+淬火回火处理后,渗碳层(距表面0.3mm)金 相显微组织如图3所示。 残留奥氏体、小块状碳化物组成。由此可见,在 Ac。±50℃的条件下,角状、块状碳化物的尖角部 分溶解于基体中,使碳化物呈小块状、球状。 由图3c可知,经缓冲渗碳+淬火回火工艺处理 (a)深层渗碳 后,20CrMnMo渗层组织由回火马氏体、残留奥氏 体以及弥散分布于回火马氏体基体上的细颗粒状碳 化物组成。这说明,缓冲渗碳获得了理想的碳化物 分布形态。缓冲渗碳对碳化物形态的改善作用的原 因有:①在深层渗碳中增加多道扩散过程,可有效 降低零件表面碳势,使奥氏体中碳原子的浓度不易 超过临界值。②如果在渗碳过程中已经形成网状碳 化物,但形成的时间很短,碳化物不致长大,在这 400× 种情况下,及时进行扩散,网状碳化物能够重新溶 解。③与 c ±50 ̄C球化退火相比,在930 ̄C进行扩 散(碳浓度0.8%),碳化物溶解的驱动力要大得 多。因此,由图3b和图3c对比可知,缓冲渗碳比球 (b)深层渗碳+球化退火 化退火工艺更能有效改善碳化物的分布形态。 (2)硬度梯度与零件齿面硬度大模数齿圈同 炉试棒经不同渗碳+淬火回火处理后, 40mm试 棒硬度梯度曲线如图4所示。 400× 至 (c)缓冲渗碳 图3不同渗碳工艺的渗层组织 由图3a可知,经两段渗碳+淬火回火工艺处理 后,20CrMnMo渗层组织由回火马氏体+残留奥氏 渗碳层/mm 体+网状、块状碳化物组成。形成网状、块状碳化 物的原因有:①由于20CrMnMo含有碳化物形成元 素Cr、Mn ̄HMo,使零件表面吸碳能力增强,提高 图4渗碳层内的硬度梯度曲线 由图4可知,两段渗碳工艺获得渗层表面硬度 约为750HV,心部硬度约为480HV,渗层的有效硬 化层深为5.26mm/550HV;缓冲渗碳工艺获得渗层 表面硬度约为740HV,心部硬度约为480HV,渗碳 层的有效硬化层深为5.95mm/550HV。与C 相比, 了奥氏体中的碳浓度。②在相同体积条件下,与齿 轮(轴)类零件相比,因齿圈类零件表面积较小, 活性碳原子更容易吸附于零件表面,这也大幅增加 了奥氏体中的碳浓度。③深层渗碳强渗阶段的中后 期,由于渗层内浓度梯度减小,活性碳原子扩散驱 动力减弱,不易向内部扩散而更趋向于在渗层表面 的硬度梯度分布更为合理,从而保证了渗层表面 有足够的残余压应力,渗层内部也不致有较大的残 余拉应力,这使渗层的抗冲击能力进一步提高。 8霉 箩瑚鹧metolwork lntlgSO ,co m鳞 垂磊 ’, V 热舡 “一’。一 快速气体渗氮工艺: 高温渗氮和稀土催渗 南京高速齿轮制造有限公司 (江苏211100) 陈贺叶小飞刘臻 常规气体渗氮扩散速度慢,工艺时间较长。 如大模数风电内齿圈获得0.5mm渗氮层,一般需要 相和Y相中的扩散速度,大幅缩短渗氮时间,提高 渗氮效率。②可以降低能源消耗。③降低因渗氮时 间过长导致表面硬度下降的风险。 50h,甚至更长的时间。较长时间的渗氮一方面造 成生产效率的降低,另一方面会造成零件畸变的增 加,从而降低齿轮的精度等级,影响产品质量。因 此,应积极寻求解决措施,提高生产效率。 一采用高温渗氮工艺的缺点包括:①渗氮温度 高,合金氮化物聚集长大速度快,渗氮层表面硬度 下降明显。②采用高温渗氮,工件变形倾向加大。 容易降低工件的精度等级,甚至需要增加精加工处 、高温渗氮及其质量控制 理。③对工件的预备热处理要求较高,要求具有较 高的回火温度,以及充分的去应力处理。 1.高温渗氮简介 以提高表面硬度和强度为目的的常规气体渗氮 3.应用案例 以风电增速箱内齿圈表面处理为例介绍高温渗 氮工艺的应用,内齿圈基本信息如表1所示。 表1内齿圈基本信息 工艺温度一般在520℃左右,高温渗氮是指采用更 高的工艺温度(一般在540~580 ̄C),在相同的氨 分解率下,提高钢件表面的吸氮能力和氮原子的扩 散能力,因而提高了渗氮速度。高温渗氮最高工艺 温度一般根据零件畸变情况和预备热处理温度进行 选择。 零件预备热处理为调质,回火温度580℃左 右,调质后零件硬度在290HBW左右。预备热处理 温度至少需比氮化温度高28 ̄C,氮化最高工艺温度 碳,采用两段渗碳工艺,容易导致渗层表面形成网 状和块状碳化物。而采用缓冲渗碳工艺,可在渗层 2.高温渗氮的优缺点 采用高温渗氮具有以下优点:①提高氮在v 对两种不同工艺处理后的零件齿部进行了硬度 测试,测试结果表明,经两种不同工艺处理后,零 件齿面硬度接近,在59HRC左右,这足以保证齿面 表面获得弥散分布的细颗粒状碳化物,有效改善了 有足够的接触疲劳强度。 (3)工艺运行时间对比两段渗碳+球化退火 +淬火回火工艺运行总时间为259h,缓冲渗碳+淬火 渗层中的碳化物形态。 (2)缓冲渗碳+淬火回火工艺使渗层内硬度梯 度变化合理,齿圈齿面硬度达 ̄IJ59HRC左右,满足 了高速重载齿轮的使用要求。 (3)缓冲渗碳+淬火回火工艺明显缩短了工艺 回火工艺运行总时间为156h。这充分说明,缓冲渗 碳工艺极大地缩短了工艺周期、降低了制造成本。 4.结语 (1)对于20C rMnMo大模数齿圈的深层渗 周期,大幅降低了制造成本。MW (20120310) 争磊 …塾 9 

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