金属材料渗碳淬火工艺综述

金属材料渗碳淬火工艺综述

摘要：渗碳与淬火在金属材料热处理中占有很重要的地位，渗碳是目前机械制造工业中应用最广泛的一种化学热处理方法，能提高材料的耐磨性和疲劳强度；淬火是热处理工艺中最重要，也用途最广泛的工序，能显著提高金属材料的强度和硬度。

关键词：渗碳，淬火，耐磨性，强度，硬度

1、渗碳工艺

1.1、渗碳原理

将低碳钢件放入渗碳介质中，在850～950℃加热保温，使活性碳原子渗入钢件表面并获得高渗碳层的工艺方法叫做渗碳。齿轮、凸轮、轴类等许多重要机械零件还有模具经过渗碳及随后的淬火并低温回火后，可以获得很高的表面硬度、耐磨性以及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，而心部仍保持低碳，具有良好的塑性和韧性，因此处理后的材料既能承受磨损和较高的表面接触应力及冲击负荷的作用。

渗碳属于化学热处理，过程由分解、吸附和扩散三个基本过程组成，发生的化学反应如下：

2CO→［C］＋CO2

Fe＋［C］→FeC

CH4→［C］＋2H2

1.2、渗碳分类

根据渗碳剂的不同，渗碳方法有固体渗碳、气体渗碳和离子渗碳。常用的是前两种，尤其是气体渗碳应用最为广泛。

固体渗碳是将低碳件放入装满固体渗碳剂的渗碳箱中，密封后送入炉中加热至渗碳温度保温，以便活性碳原子渗入工件表层。固体渗碳剂由一定颗粒度的木炭加碳酸盐混合而成。渗碳温度一般为900～930℃，渗碳保温时间视层深要求确定，一般需要十几个小时。固体渗碳加热时间长，生产效率低，劳动条件差，渗碳深度及质量不易控制。

气体渗碳是把零件放入含有气体渗碳介质的密封高温炉中进行碳的渗入过程的渗碳方法。这种渗碳方法通常是将煤油或丙酮等液态碳氢化合物直接滴入高温渗碳炉中，使其热裂分解为活性碳原子并渗入零件表面。气体渗碳温度一般为920～950℃。气体渗碳工艺过程通常可划分为升温排气、渗碳(包括强渗和扩散)、降温冷却三个阶段，如图1所示：

图1 井式炉滴注式气体渗碳工艺过程

1.3、渗碳优化

为了充分发挥渗碳层的作用，使零件表面获得高硬度和耐磨性，心部保持足够的强度和韧性，金属材料在渗碳后必须进行热处理，进行预冷、淬火、低温回火处理。渗碳件经淬火并低温回火后，表层组织为高碳细针状回火马氏体组织加细粒状渗碳体及少量残余奥氏体，硬度为58～62HRC。

2、淬火工艺

2.1、淬火简介

将钢加热至临界点Ac3或Ac1以上一定温度，保温后以大于临界冷却速度的速度的冷却得到马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺叫做淬火。淬火的目的就是为了使它的组织全部或大部转变为马氏体，获得高硬度，然后在适当温度下回火，使工件具有预期的性能。淬火可以提高金属工件的硬度及耐磨性，因而广泛用于各种工、模、量具及要求表面耐磨的零件（如齿轮、轧辊、渗碳零件等）。通过淬火与不同温度的回火配合，可以大幅度提高金属的强度、韧性及疲劳强度，并可获得这些性能之间的配合（综合机械性能）以满足不同的使用要求

钢铁工件在淬火后具有以下特点：①得到了马氏体、贝氏体、残余奥氏体等不平衡（即不稳定）组织。②存在较大内应力。③力学性能不能满足要求。因此，钢铁工件淬火后一般都要经过回火。

2.2、淬火温度的选择

淬火加热温度的选择应以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则，以便淬火后获得细小的马

氏体组织。淬火温度主要根据钢的临界点确定，亚共析钢通常加热至Ac3以上30～50℃；共析钢、过共析钢加热至Ac1以上30～50℃。对于低合金钢，淬火温度亦应根据临界点Ac1或Ac3确定，考虑合金元素的作用，为了加速奥氏体化，淬火温度可以偏高些，一般为Ac1或Ac3以上50～100℃。高合金工具钢含有较多强碳化合物形成元素，奥氏体晶粒粗化温度高，则可以采取更高的淬火加热温度。

45钢、A3钢，这两种都属于亚共析钢，45钢的Ac3值是790℃，A3钢的Ac3值是810℃，Cr12的Ac3值是900℃。45钢的淬火温度应该在810℃到840℃之间；A3钢的淬火温度在840℃到890℃之间；Cr12的淬火温度在930℃到980℃之间。

2.3、淬火介质

钢从奥氏体状态冷至Ms点以下所用的冷却介质叫淬火介质。介质冷却能力越大，钢的冷却速度越快，越容易超过钢的临界淬火速度，则工件越容易淬硬，淬硬层的深度越深。常用的淬火介质有水、盐水或碱水溶液及各种矿物油等。以上介质各有优缺点。水的冷却能力大，但冷却特性不好；由冷却特性好，但冷却能力又低。45钢、A3钢Cr12的Ms点都是220℃。

2.4、淬火方法

选择适当的淬火方法同选择淬火介质一样，可保证在获得所要求的淬火组织和性能条件下尽量减小淬火应力，减少工件变形和开裂趋向。常用的淬火方法有单液淬火、双液淬火、分级淬火和等温淬火。

3.1、模具热处理方式

模具材料主要为45#钢、A3钢，也有不少用的是Cr12合金。采用的热处理方式是碳氮共渗→淬火（淬火介质是盐水或淬火油）→低温回火。

钢的碳氮共渗：碳氮共渗是向钢的表层同时渗入碳和氮的过程。习惯上碳氮共渗又称为氰化，目前以中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗（即气体软氮化）应用较为广泛。中温气体碳氮共渗的主要目的是提高钢的硬度，耐磨性和疲劳强度。低温气体碳氮共渗以渗氮为主，其主要目的是提高钢的耐磨性和抗咬合性。

3.2、热处理常见的问题

在热处理常见的问题是模具出现变形、开裂的情况。模具热处理后变形和开裂的主要原因：（1）、材质问题：S、P、Si等元素含量超过国家标准，或气孔、氧化物夹杂过多，都是导致热处理后模具开裂的主要原因。

（2）、热处理操作工艺的问题：淬火时，工件温度、零件形状、是否及时回火，都会导致零件开裂。

（3）、模具设计不合理。

（4）、工人操作不当。

3.3、主要材料45#的热处理工艺

1)对热处理设备及相应设施进行检查。检查循环水系统是否畅通无阻，箱体密封圈是否

完整，确认达到要求后，按下列程序进行操作。

2)从动力配电柜给井式渗碳炉送电。

3)合上渗碳炉控制柜空气开关。

4)设定渗碳炉温度（870℃）。

5)打开循环水系统。

6)当炉温升至300℃时启动风机。

7)当温度升至780℃，滴入酒精进行排气，70～90滴/分钟。

8)炉温升至870±10℃时，炉内废气排尽，方可工件装炉。

9)装炉后酒精滴入量120～160滴/分钟，快速排气，废气排尽后改为70～90滴/分钟．

10)炉温升至870℃时，匀温0.5小时，关闭酒精。

11)进入强渗阶段：煤油100～150滴/分钟，三乙醇氨40～70滴/分钟，压力120～210

ｍｍ水柱，强渗9小时，降温至850°C进入扩散阶段。

12)扩散阶段：煤油40～80滴/分钟，三乙醇氨50～80滴/分钟，压力60～120ｍｍ水柱。

扩散时间为3小时。

13)扩散阶段结束后，停止加热，出炉淬火。

14)工件全部出炉后，盖上炉盖，炉温自然降温至100℃时，关闭循环水．

15)附碳氮共渗工艺图，如图2所示。