薄层真空碳氮共渗技术及应用

1、薄层真空碳氮共渗技术及应用丛培武100083）（机电，摘要：介绍了薄层真空碳氮共渗时，用同一工艺处理 10 号、20 号、45 号碳素钢、20Cr、20o 合金钢后的渗层深度、硬度、显微组织。主要工艺参数温度、时间对渗层性能的影响。举例说明了三种关键零件真空碳氮共渗后渗层深度、硬度、变形等技术指标达到的情况和分析。：真空；碳氮共渗；薄层；碳素钢Technologies and Application of thin layer vacuum carbonitridingZHANG jian-guo, WANG jing-hui, LIU jun-xiang, CHEN zhi-ying, CO

2、NG pei-wu（Beijing Institute of Mechanical and Electrical Technology, Beijing 100083 ,China）Abstract: Thin layer vacuum carbonitriding technologies were studied. A suitable pros has been app d in productionsuch as 10#、20#、45#、20Cr、20O. The pros performance influenof temperature and time were investig

3、ated.Illustrate andyze the technologies index (carbonitriding depth, hardness and deformation) of the three key parts.Key words: vacuum; carbonitriding; thin layer; carbon steel1 真空碳氮共渗技术的由来新型渗碳介质气乙炔（C2H2）的使用，使真空渗碳时炭黑大幅度减少，加上“节能减排”、大幅度削减“碳排放”势在必行，导致国际上出现了以欧洲为中心的“真空渗碳炉”第二次发展新【1】。使用乙炔作为渗剂的周期式真空渗碳炉、连续式

4、真空渗碳炉、组合式（多室）真空渗碳炉等，逐渐增多。在渗碳的同时，也渗入活性N原子并进行扩散，实现了碳氮共渗。真空碳氮共渗时，由于氮的渗入带来了以下新特点【2】：比渗碳的温度低，淬火变形明显减少由于氮的渗入，淬透性增加，使碳素钢也能在真空炉中油淬，淬硬性明显增加；从而使廉价碳素钢达到合金钢的性能。抗回火软化温度提高耐磨性、耐疲劳强度提高耐腐蚀性增强因气氛中无含氧介质，渗层中杜绝了晶界氧化层（黑色组织），确保了渗层性能使用介质气量可控，碳排放量大幅度减少，属清洁型生产技术由于以上特点，发展中国家（BRICS）为代表的飞速发展的汽车制造业中，该技术在变速箱零类零上的应用研究十分活跃【3】【4】。在合

5、金钢制零部件、特别是高表面负荷、高旋转疲劳件、工模具上应用相当广泛，更值得关注的是在价格低廉的碳素钢制零、及模具上的应用【5】也是国际倍感时髦的盛事.。2 薄层共渗时的难度根据国家机械行业标准（JB/T7710、8929-1999、3999-1999、4155-1999），渗碳、碳氮共渗、氮碳共渗热处理，渗层深度0.3 为薄层，0.1 为超薄层。当0.5 渗层时，同批零件有效硬化层偏差为 0.2 。航空使用优质材料时，碳氮共渗层深度范围的最小差质一般为 0.15 【6】。可见渗层愈薄，允许偏差愈小，精度要求愈高。尤其在批量生产时，装炉量愈大，均匀性要求愈高,技术上难度也愈大。实践中层深、硬度、

6、变形三者间互相关联、相互影响，会使很多形状复杂的零件综合技术指标很难达标，3 对渗层性能影响的不同材质渗层质量和性能的影响很多，实验中仅就钢种、温度、时间等对渗层深度、硬度、显微组织的影响进了实验、分析、3.1 材质型号。用 5 种材质，同一种工艺共渗后的显微组织见图 1，渗层深度、显微硬度见表 1。10钢20钢45钢20Cr20o图 1.真空碳氮共渗的显微组织（100）Fig.1 the microstructure of vacuum carbonitriding (x100)表 1.同一温度、同一时间，不同材质对渗层的影响Table1.the same temperature and t

7、ime, different material influence从图 1、和表 1 可以看出，在实验所选的 5 种材质中，合金钢比碳素钢易接受共渗处理。合金钢中，合金元素种类多的比单一元素的合金钢易接受共渗处理。碳素钢中，基体含碳量较高时易接受共渗处理。易接受共渗处理的含义是指：渗碳层深度较深、硬度较高、碳化物量也稍高。3.2 温度表 2.同一材质、同一时间，不同温度对渗层的影响Table2. the same material and time, different temperature influence从图 1、和表 2 给出的一组数据可见,共渗温度能明显地改变渗层的深度和硬度。即同

8、一条件下，在实验的 4 个温度中，温度愈高、渗碳层深度愈深、硬度也愈高。3.3 时间表 3 同一材质、同一温度，不同时间对渗层的影响Table3. the same temperature and temperature, different time influence从图 1、和表 3 给出的一组数据可以看出，时间对调控渗层深度、硬度的重要作用。即同一条件炉号工 艺材料试样号渗层深度硬 度 HV碳化物02880150min10A1100.260.27706、708、705112880100min10A1220.210.22680、683、684113880 60min10A1230.160

9、.、1炉号工 艺材料试样号渗层深度硬 度 HV碳化物11930、60min10A1210.220.23692、694、691113880、60min10A1230.160.、18850、60min10A1190.140.、115800、60min10A1250.080.09560、580、5831炉号工 艺材 料试样号渗层深度硬 度 HV碳化物1388060min10A1230.160.、120A2230.200.21689、687、689145A4230.280.29721、718、7191220CrB2230.250.26726、723、7231220oD2230.270.28728、72

10、7、73012下，实验所选的 3 个时间中，时间愈长，渗碳层深度愈深、硬度愈高。4 薄层真空碳氮共渗技术应用举例本技术多用在渗层要求不是很深、性能要求较高、担心变形超差的零件上，尤其在以碳素钢为基体时应用量也与日俱增，为此举例参考如下。4.1零件名称：止推片材质: 10 号碳素钢形状尺寸: 见图 2图 2 止推片零件的形状和尺寸Fig.2 the shand size of the part技术要求：渗层深度 0.080.15 硬变度 HV700形 平面度0.03 （热处理变形）使用设备: WZST-45 真空渗碳炉【7】,装炉重量、负载表面积均模拟批量生产状态，下同。处理结果:渗层深度 0.

11、080.11 见图 3渗层硬度 HV708变形0.03 （见表 4）情况分析：该零件热处理难度在于材质基体碳含量太低，渗层深度又限于 0.15 以下，不易获得高硬度。止推片硬度能达到技术指标要求，充分说明了真空碳氮共渗提高了渗层的性能。另外止推片热处理前建议磨加工，变形量0.08 ,否则变形要求不易达标。图 3 止推片的渗碳深度及显微硬度（200）Fig.3 the carbonitriding depnd microhardness of the part(x200)表 4 止推片热处理前后平行度的变化Table4. deformation amount of the part after

12、carbonitriding pros4.2零件名称：换挡器材质：20 碳素钢形状尺寸：15 、壁厚 2 ，见图 4技术要求：渗层深度：0.20.3 渗层硬度：HV500变形：内径0.01 ，见图 4使用设备：WST-45 真空渗碳炉处理结果：渗层深度：0.240.25 渗层硬度：HV693、693、696变形：合格。情况分析：该零件热护理存在问题，因形状复杂，内径变形；淬硬层超深。共渗工艺必须协调层深、硬度、变形三者之间关系，控制层深为下限，尽量降低硬度，保变形合格。图 4 换挡器的行状尺寸及技术要求Fig.4 the shand size of the shift instrument4.

13、3零件名称：精密齿轮材质：20o炉号试样片有标识面 无标识面 备注热处理前热处理后变形量热处理前热处理后变形量22-8040.020.040.020.020.030.0150.050.050.000.020.050.0360.020.050.030.040.060.0270.020.040.020.080.07-0.0180.060.070.010.050.060.01形状尺寸：见图 5技术要求：渗层深度：0.150.30 渗层硬度: HV500600变形: 内孔变形0.01 使用设备：WZST-45处理结果:渗层深度：0.180.20 渗层硬度：HV728731图 5 精密齿轮的尺寸和形状S

14、ectional schematic of different gearsFig5.变形：见表 5情况分析: 该零件热处理最度是内孔变形量的控制。表5 给出了齿轮内径变形量的测量结果。每个零件热处理前后要测出内孔下端（测点 1、见图 5）和内孔上端（测点 2、见图 5）的内径。如果同一零件的测点 1（或测点 2）热处理前后内现“喇叭口”，为报废品，反之为合格品。径差值001 时，则该齿轮内孔出表 5 齿轮真空碳氮共渗淬火前后尺寸及变形量Table5.The gear preciand deformation value after vacuum carbonitriding零件代号零件图及测量

15、位置测量位置热处理前热处理后变形量喇叭口041见上图 7a测点 17 9327 9270 005无测点 27 9307 9270 003042测点 17 9327 9250 007无测点 27 9277 9220 005043测点 17 9307 9250 005无测点 27 9307 9270 003361见上图 7b测点 114 73314 7300 003无测点 214 72714 7320 005362测点 114 73514 7300 005无测点 2000363测点 114 72714 7300 003无测点 2000371见上图 7c测点 17 9307 9300 000无结 语

16、碳素钢、合金钢均可接受薄层真空碳氮共渗热处理，共渗后渗层性能提高是明显的；薄层共渗处理时间短、淬火后变形小的优势是不可替代的。趁真空渗碳第二次发展到来之际，把其分枝技术之一，真空碳氮共渗中的薄层共渗技术及应用予以简单展示和说明，以利推广；并对国家重要政策如：节材、节省国家资源、降低碳排放、确保国家环保指标等作出响应。参考文献【1】【2】【3.最近熱处理技術課题.特殊鋼.J.2009 年 5 月.9.,丛培武,等.真空碳氮共渗技术及其应用J技术热处理,2006：59.60巧治.-材料熱處理技術動向課題,工業加熱.J.Vol.46（2009）,No2.3035.【4】新真空部品机械的特性向上.工業

17、加熱.J.Vol.45（2008）,No.1319.【5 】2009.8.89.90,等.模具钢及真空碳氮共渗热处理. 金属热处理.J【6】中民航空行业标准.MHB/Z159-2001 航空用钢渗碳、碳氮共渗工艺.6【7】宋家奇,臣,等.双室真空碳氮共渗油淬气冷热处理炉:中国 ZL2005 20118587.2P.2006-10-18.作者简介：（1940.9），男，人，研究员级高级工程师，主要从事真空热处理工艺及设备的研究工作，30 余篇，获部科技进步二等浆 2 项。：01062935533基金项目：国家科技专项基金（2009ZDX4008-021）几 项 表 面 硬 化 技 术 比 较1、

18、表面硬化技术项目内容的区别项目 名称 温度范围硬化机理适 用 材 质 特 点和 优势 前景高温渗碳淬火1040980碳高温固溶淬火合金渗碳钢高温渗碳钢（加铌）渗速快、适合要求碳浓度梯度平缓仅适合耐高温渗碳钢符合低碳节能，前景需求迫切。渗碳淬火880980碳固溶淬火合金结构钢适合中等硬化层要求受到冲击测点 27 9307 9370 007372测点 17 9307 9320 002无测点 27 9307 9320 002373测点 17 9327 9280 004无测点 27 9287 9300 008411见上图 7d测点 17 9307 9250 005无测点 27 9307 9300 000412测点 17 9287 9220 006无测点 27 9307 9300 000413测点