毕业论文-双排炉气体渗碳工艺调试与性能研究

毕业设计（论文）题目：双排炉气体渗碳工艺调试与性能研究学院：专业：材料科学与工程（金属材料）班级：学生姓名：学号：指导教师：

摘要我国汽车工业的迅猛发展对汽车零部件热处理的质量提出了更高的要求，同时，现代化大生产又要求实现生产的机械化、自动化。连续式气体渗碳自动线使零部件能够在生产线上一次完成加热、渗碳、淬火、回火等工艺流程，很好的实现了生产的自动化，而且经过了多年的发展，其结构不断优化，热处理质量不断提高，完全满足了生产的要求，得到了大量应用。东风汽车公司刃量具厂于今年引入了一条连续式气体渗碳自动线，准备将其用于汽车精密齿轮的渗碳热处理中，该生产线已经完成了安装，正在调试期。本课题旨在通过选择实验材料、制定工艺流程，并在这条连续式气体渗碳自动线上对材料进行渗碳、淬火、回火等热处理，然后通过金相实验、硬度测试、磨损试验等分析材料组织是否正常，性能是否良好来确定工艺是否合理，能否按照既定的工艺流程开炉生产，达到对该设备进行调试的目的。关键词：连续式气体渗碳自动线；热处理设备；气体渗碳；调试

AbstractTherapiddevelopmentofChina'sautomobileindustryputahigherrequirementonthequalityofautomotivecomponents'heattreatment,whilemodernmassproductionrequiredachievingproductionmechanizationandautomation.Continuousgascarburizingautomaticlinemakesitpossibleforpartstobeheated,carburized,quenchedandtemperedinacompleteproductionline,whichachievedautomatedproductionperfectly.Andafteryearsofdevelopment,thestructureofContinuousgascarburizingautomaticlinehasbeencontinuouslyoptimized,thequalityofpartswhichheattreatedbyithasalsobeenimproved,Continuousgascarburizingautomaticlinefullymeettheproductionrequirements,andthusobtainedalargenumberofapplications.DongfengMotorCorporationblademeasuringplantintroducedacontinuousgascarburizingautomaticlinethisyear,thisfacilityisreadytobeusedforcarburizingheattreatmentofautomotiveprecisiongears,theproductionlinehasbeencompletedinstalled,butstillundercommissioningperiod.Thispaperaimstodebugthisfacilitybyanalyzingtissueandtestingpropertyoftheexperimentalmaterialwhichtobeheattreatedinthiscontinuousgascarburizingautomaticline.Keywords:Continuousgascarburizingautomaticline;heattreatmentequipment;gascarburization;debugging

目录第一章概论…………11.1连续式热处理炉……………11.1.1工作原理………………11.1.2连续式热处理的分类…………………11.2连续式气体渗碳自动线……………………71.2.1连续式气体渗碳自动线结构…………71.2.2连续式气体渗碳自动线的发展………91.3气体渗碳……………………111.3.1渗碳原理…………………111.3.2气体渗碳分类…………111.3.3渗碳工艺………………131.3.4渗碳前的预备热处理…………………131.3.5渗碳后的碳浓度及渗碳层及其组织…………………141.3.6渗碳后零件的热处理…………………14第二章实验内容…………………162.1实验材料及设备…………162.1.1实验材料………………162.1.2实验设备………………162.2实验步骤……………………162.2.1线切割…………………162.2.2渗碳淬火热处理………172.2.3金相组织观察…………202.2.4摩擦磨损实验…………21第三章实验结果与分析…………233.1金相分析……………………233.2硬度分析……………………253.3摩擦性能分析………………26第四章结论………………………28致谢…………………29参考文献……………30-32-概论连续式热处理炉连续式热处理炉是利用机械推料或为机械化炉底输料的热处理炉，工件连续地通过炉膛，同时完成各种工艺操作。主要适用于处理品种单一、批量较大的的热处理生产。这种炉型比较容易实现机械化和自动控制，容易满足工艺和热工的要求。在现代化的大生产中连续式热处理炉得到广泛的应用，而且在不断的发展。连续式热处理炉的炉内温度沿炉子长度方向变化，但不随时间变化。工件在炉内完成加热、保温和冷却等过程。工作原理连续式热处理炉是靠机械传动装置推动工件或料盘在滑道上滑动，从而使工件沿滑倒自动传送至热处理炉的不同功能区域，并在炉子各个区域完成加热，渗碳，保温，冷却，清洗等过程，实现热处理的自动化的设备。连续式热处理炉的分类连续式热处理炉大致包括：推料式炉、步进式炉、环形炉、分室式炉、链式炉、辊底式炉、震底式炉、牵引式炉、井式炉和罐式炉。[4]推料式热处理炉推料式热处理炉是直通结构，借助推料机构或机械化炉底输料机构使需要被热处理的工件在炉内连续运行，完成工件的淬火、正货、回火、和化学热处理。连续运行是从宏观上来说的，在生产中，工件在炉内的运行其实是间歇的。推料式热处理炉结构简单、运行可靠，在热处理工艺中应用广泛。推料式热处理炉的推料方式可以是推料机械直接推料，工件在滑道上运动，对于不适于直接推送的工件也可以采用推杆式、推管式、辊道式等。推杆式炉，是将工件装入料盘（或料框）内，炉子工作时推动料盘在滑道上运动。对于齿轮、轴类零件一般采用推杆式。图1.1是辐射管式推杆式气体渗碳炉示意图。工件由炉子侧面推入前室，再从正面推入炉内，工件被推倒炉子末端后，被侧向推料机推到后室淬火。[1]图1.1辐射管式推杆式气体渗碳炉1—液压推料机；2—装料门；3—辐射管；4—拱门；5—导轨；6—炉门；7—循环风扇推杆炉通常按照工艺要求分区段控温和控制炉内气氛。比如说上述气体渗碳炉就可以分为加热区、渗碳区、扩散区和预冷区等。为了使各区段温度和气氛保持独立，通常在各区段交界处拱门，以此来降低各区段的相互干扰。对于大而薄的工件，既不适用于直接推料式，也不适合用推杆式，此时，可以采用推管式。由于钢板是圆形，在沿滑道推动时很容易被推偏或被拱翻，为了避免这种情况，保证工件的正常连续加热，可以将钢板放在托管上，托管放在带凹槽的滑道上，生产时推动托管在滑道的凹槽里滑动，托管带动钢板运动，完成对钢板的热处理。推杆式、推管式热处理炉的热效率普遍很低。原因是在生产过程中，加热工件的同时，料盘和管也同时被加热，并且也随着工件被推出炉外，待其冷却后再由人工将其放入滑道。这一过程损失了大量热量。同时由于氧化作用，盘和管不断氧化脱落，容易损坏。步进式热处理炉步进式热处理炉是机械化炉底加热炉，属于连续炉。它是以步进机械带动被加热物料在炉内的运动代替推料机推动物料在炉内的运动。步进机械在炉内运动的过程是：升起、前进、下降和后退，每完成一个循环成为一个周期，如图1.2。图1.2步进机运动过程步进式加热炉的特点1）运料灵活，可以根据要求调整步进周期；必要时可以将炉内的物料全部清出；可以调整入炉物料之间的间隔，所以为快速加热创造了条件；对加热容易脱碳的钢种十分有利。2）可以实现快速加热。由于在步进底（或步进梁）上物料之间有一定的间隔，所以可以对物料进行多面加热，使加热时间大大缩短，和推料式加热炉相比，加热时间可缩短50%甚至更多。3）可加热推料式加热炉难以加热的物料，如薄板、圆形钢坯、圆管和异形物料。4）消除推料式加热炉的拱料现象，炉宽和炉长不再受限制。5）使用无水冷的“炉底”，可以节约燃料，提高热效率。步进式加热炉分为步进底式和步进梁式加热炉，步进底式加热炉如图1.3所示。步进底式加热炉是步进底运动并带动被加热的物料在炉内运动；步进梁式加热炉是步进梁运动并带动被加热物料在炉内运动，炉底固定不动。图1.3步进底式加热炉分室式快速加热炉分室式快速加热炉是由若干个加热室和间室组成的，如图1.4.工件靠设在间室的辊子的转动带动被加热的工件运动，辊子的运动方向和速度都是可调的。加热室既起到传热的作用又是燃烧室，燃料在此燃烧，形成高温，实现快速加热。间室的作用是减少加热室向辊子的传热量，这样一方面可以保护辊子，使其不至于在加热室高温作用下被烧坏，另一方面不至于为了对辊子进行过分的冷却而影响到工件的加热速度和加热质量。没有间室的快速加热炉就是辊底炉。1.4分室式快速加热炉分室式快速加热炉的特点：1）分室式快速加热炉能实现快速加热。分室式快速加热炉的炉型可以千差万别，但是加热室的形状只有圆形和方圆形两种。燃料入炉后，被高温的炉壁加热，迅速燃烧，高温的燃烧产物加热炉壁；高温的燃烧产物和炉壁以对流传热和辐射传热的方式加热新入炉的燃料和空气，使其混合、燃烧。这种燃烧与炉壁间传热的相辅相成的作用称为“表面燃烧”。燃料以较大的速度在切线方向拱入炉内，在炉内形成强烈的旋转循环气流，这一作用促进了空气与燃料的混合，且延长了空气与燃料的混合路径。这样可以在容积不大的加热室内拱入较多的燃料，而且在空气系数不大的条件下得到完全燃烧，使得加热室具有很高的容积热强度。由于表面燃烧作用和大的容积热强度，使炉子的内表面形成高温。这样，靠炉壁的高温的直接定向辐射传热和高温高速旋转气流的对流传热，实现了对工件的快速加热。另外，在分室式加热炉内，工件多面受热，也有利于工件的加热。生产实践证明，工件在分室式快速加热炉内的加热时间和在一般的推料式炉内的加热速度相比可提高约10倍。2）工艺上的适应性。分室式快速加热炉在工件的运送速度和炉温控制上都具有很大的灵活性，所以对于工件的产量、钢种、规格变化和生产中出现的种种不正常情况，都可以及时进行调整。3）工件加热均匀，氧化烧损少。4）分室式快速加热炉的缺点是：单位长度上产量低，排烟温度高，由于炉内温度高，炉体和辊子需要经常更换和维护。链式热处理炉链式热处理加热炉的结构如图1.5所示。这种结构的热处理炉结构比较简单，主要是用在冶金工厂的薄板车间。链式热处理加热炉的主要组成部分为：链条、传动轮、传动机构、尾部转向轮和链条张紧装置。图1.5链式炉示意图除了冶金工厂使用的链式热处理以外，还有许多不同类型的链式炉，按照运料机械来分有链带、链条、金属丝网带和整体网带。为了让链条在低温条件下工作，可以让链条在炉内的沟槽里运行，或者也能够将链条置于炉外。但是链爪却必须置于炉内的高温环境下，所以了链爪的材料要根据不同的炉温选择。链带式热处理炉是将链板组接在一起构成的。工作时将工件置于链带上，对零件的形状没有要求。加热尺寸比较大的工件时，链板之间可以留有空隙，加热尺寸小的零件则不能留有空隙。链带是一个平面，两边装有挡板，可以防止掉料。辊底式加热炉简介辊底式加热炉是在炉子的整个长度上，每隔一定距离安装一根炉辊，以此组成炉内辊道，辊道之间相互平行。辊底炉广泛应用于大型工件、大批量生产的淬火、回火、正火和退火生产中的加热，主要加热对象有钢管、薄板等。还可用于工件的可控气氛热处理。辊底炉非常适合用于连续生产作业的生产线，其主要特点如下：1）炉内的物料靠炉内不停转动的辊道运动，炉内辊道式车间辊道的一部分；容易实现生产自动化；2）工件在辊道上运动，从两面加热，受热比较均匀，并且加热速度快；3）具有步进式加热炉和链式炉的优点，辊底式加热炉的辊子始终在炉内不停转动，与链式炉相比，减少了链条在炉外造成的热量损失。4）其不足之处在于辊底炉的炉辊使用耐热高合金钢制成，因此成本高，投资较大。2.辊底炉操作方式辊底式加热炉有两种操作方式，一种方式是工件从炉子的一端进去，在炉内匀速运动，完成加热、保温等热处理工序，从另一端出去。第二种方式是炉辊时而正转、时而反转，工件在炉内来回摆动完成热处理。摆动操作时辊底炉热油的操作方式，这是因为炉辊必须在炉内不停的转动，否则就会在高温和重力作用下弯曲变形。所以在炉子长度一定的情况下，为了保证工件在炉内有足够的处理时间，就只能采用摆动的操作方式。3.辊底炉加热辊底炉的加热方式有两种，可以使用燃料直接加热，也可以采用气体保护间接加热。加热元件有烧嘴和辐射管两种，可以将加热元件布置在炉底辊上面，也可以在炉底辊下面或上下同时布置。辊底炉的炉温制度也有两种，分别是恒温制度和变温制度。恒温制度就是炉子温度不随炉子长度改变，整个炉子保持同一温度。这种温度制度的特点是工件加热速度快，钢板和钢管正火、淬火时可以采用这种温度制度。变温制度是炉温沿炉子长度方向变化，根据对工件热处理的要求，炉子各段温度不同，以实现工件的加热、保温和缓冷等过程。然而不管是恒温还是变温，都需要对炉子进行分段控制。每一段都要用热电偶测温，以此控制各段温度。连续式气体渗碳淬火自动线所谓双排炉其实就是连续式气体渗碳淬火自动生产线，自动线由连续气体渗碳炉、淬火槽、清洗机、低温回火炉以及电控和显示设备等部分组成，如图1.6所示。该生产线可完成工件的气体渗碳、淬火、清洗和低温回火等工序。而渗碳炉又分为加热区、渗碳区、扩散区、预冷淬火区等。炉内通入渗碳气氛，并安装风扇来调节炉内气氛均匀度和温度的均匀性。将需要进行渗碳淬火的零件装盘后，通过推料机构将装有零件的料盘一步步送到各个热处理区，完成对零件的热处理。双排炉气体渗碳线实现了渗碳热处理的自动化，大大简化了人工，降低了成本，提高了生产效率和零件的质量，因此得到了广泛的应用。连续式气体渗碳自动线结构渗碳炉主体部分渗碳炉的类型常见的有推杆式、辊底式。其主体部分大致由推料装置（大推杆）或辊道、前密封室、大炉炉体、侧出料机构、前炉门和后炉门、炉顶风扇等部分构成。炉膛通常分为5个区段：一、二两个加热区，三区为渗碳区，四区为扩散区，五区为保温淬火区。各区交界处砌筑拱墙或双拱墙，以使各区形成相对独立的温度、气氛控制区。渗碳炉体由炉壳、砌砖体、炉导轨、风扇、前进料室、后炉门等构成1）炉壳：对炉子起密封作用，用钢板和型钢焊接制成。2）砌砖体：由石棉板、保温填料、硅藻土砖、轻质耐火砖、抗渗碳重质高铝砖砌成的无罐渗碳室。3）炉导轨：通常用耐热合金（如Cr18Ni25Si2）浇铸而成，在炉内起导向作用，保证炉内零件按一定方向有I区到V区。4）风扇：设置在II、III、IV区，共有3个，作用是保证炉气混合均匀，同时也对炉温的均匀性起到一定作用，风扇强制炉内气流由炉壁两侧向下运动，并通过炉底部中间向上流动，以保证零件渗碳的均匀性。5）前进料室：其作用是防止炉门打开的瞬间，炉外空气进入炉内氧化零件，影响渗碳质量。前室有两道炉门，当零件进入前室后，流入前室的空气靠炉内压力排出一部分（约70%）；然后再启动第二到炉门，将零件推入炉内。6）后炉门：用于炉子发生故障时处理故障的，平时生产过程中处于关闭状态。[1]淬火槽淬火槽由钢板焊接而成，装入淬火油，使用温度在60-100摄氏度之间，使用时淬火油要处于循环运动状态，防止其温度升高。[1]清洗机清洗机的作用是将淬火后零件上附着的淬火油及炭黑清洗干净，零件在清洗机内总共经过四道工序：清洗、热碱水喷淋、清水喷淋、热风烘干。其中碱水是3%-5%的Na2CO3溶液，温度控制在70-80摄氏度。[1]低温回火炉低温回火炉为箱式贯通式，用于渗碳淬火后零件的回火。其料盘置于导轨上，炉膛中部设有一台离心风机，电热元件布置在炉膛两侧。[1]1.2.2连续式气体渗碳自动线的发展连续式气体渗碳自动生产线自上世纪六十年代开始从国外大量引进并在我国投入生产以来，不断在生产实践中被该进、优化，发生了一系列显著的变化。渗碳炉体的变化渗碳炉体一开始是采用单排料盘，产量比较低。后来出现了双排甚至多排料盘的渗碳炉，这大大提高了产量，并有效利用了能源，使生产效率得到了大幅提升。渗碳炉体的料盘排数也成为了划分单排炉和双排炉的指标，现在，单排炉已经基本被淘汰了。除此之外，进料方式也发生了变化。一开始都是从炉子端部进料，这导致了炉气的大量溢出，空气大量进入炉内，还会导致零件的氧化，降低渗碳速度和质量。后来，为了减少炉气的溢出，有的渗碳炉开始采用侧进料，还发展出从底部进料的渗碳炉[24]。为了细化晶粒，出现了在主体渗碳炉中设置渗碳室，中间冷却室和再加热室的炉子[8]，工件经中冷，晶粒得到了细化[21]。新设备的加入预处理炉。预处理炉的使用温度为450-500摄氏度，用于清除渗碳件表面油脂，同时形成一层很薄的氧化层，增强渗碳的活性及渗层的均匀性。喷丸机。喷丸机也叫喷砂机，其原理是利用高速的压缩空气将砂材（丸）直接打到零件表面，以达到提高金属件疲劳强度，改善并消除应力，提高强度的作用。3.炉内可控气氛的变化1）双排炉气体渗碳中，最初是用天然气，液化石油气，城市煤气等作为原料，在有触媒剂（催化剂）的高温反应炉中产生化学反应，制备吸热式气氛。用天然气制备吸热式气氛的化学反应：CH4+2.38（空气）——CO+2H2+1.88N21反应在1000摄氏度左右进行，生成的气氛中CO占20%左右，H2占40%左右，其余为N2、CO2和少量CH4和H2O。用液化石油气制备吸热式气氛的化学反应：C3H8+7.14（空气）——3CO+4H2+5.64N22反应在1000摄氏度左右进行，生成的气氛中CO占23%-35%左右，H2占32%-33%左右，其余为N2、CO2、和少量CH4和H2O。2）然而，随着石油价格的大幅度上涨和天然气供应紧张等市场因素,上世纪七十年代，国外开始研制用氮基气氛代替天然气或液化石油气的试验工作。八十年代以后,国外氮基气氛热处理作为一种新技术、新工艺得到了较快的发展,氮基气氛渗碳工艺及设备开始进入生产应用阶段。我国氮基气氛热处理工作起步较晚,自九十年代末期,随着高纯度氮气制备技术的发展,我国的氮基气氛热处理开始走向应用阶段,目前在国内热处理行业中的应用已日益广泛。[9]文献[9]指出，采用N2+甲醇(CH3OH)制备氮基气氛时，当N2:CH3OH为40%:60%时,气氛中CO:H2:N2约为20%:40%:40%,这个比例与用天然气为原料气制备出来的吸热式气氛的组成比例相当接近,因此显然可以承袭传统的吸热式气氛的控制方法。而且，与用天然气制备吸热式气氛相比，氮基气氛还有如下优点：1）氮基气氛是一种中性气体，在200-1200摄氏度的热处理温度范围中不会与钢铁发生化学反应，并且无毒，不燃烧，不爆炸。2）经济，容易取得。空气中78%的气体是氮气，采用膜分离技术可以制得浓度为99.5%-99.9&的氮气。3）在氮气中添加少量CO、H2等还原性气体可以形成氮基保护气氛，从而控制微量氧气的有害作用。

气体渗碳渗碳原理1）渗碳反应在渗碳生产中，最主要的渗碳组分是CO和CH4，通过反应产生活性碳原子[C]：2CO——[C]+CO2CO——[C]+1/2O2CO+H2——[C]+H2OCH4——[C]+2H22）渗碳过程渗碳的全过程包括分解、吸收和扩散三个基本过程。eq\o\ac(○,1)分解阶段是指渗碳剂通过反应，形成了CO、CH4等渗碳组分，其中CO为弱渗碳气体，而CH4为强渗碳气体，在高温下会在零件表面进一步分解，形成渗入2能力很高的活性碳原子[C]。eq\o\ac(○,2)吸收阶段是指活性碳原子被零件表面吸附、吸收的过程。钢临界点以上所形成的奥氏体具有较大的溶解碳的能力，当超过碳原子吸收能力时，会在零件表面堆积，从而形成炭黑，并影响到渗碳的正常进行。eq\o\ac(○,3)扩散阶段是已被吸收的碳原子向零件内部扩散渗入。由于表面吸收了活性碳原子，故碳浓度提高，造成零件内外产生碳浓度差，使碳原子从浓度高的区域向浓度低的区域扩散，形成渗碳层。上述渗碳的三个过程均对渗碳结果产生很大的影响。在吸碳阶段需要渗碳剂提供足够的活性碳原子，利用零件表面对碳原子的吸收。活性碳原子太少则会使表面的含碳量低；活性碳原子太多则又使多余的碳原子结合成分子溢出，形成的炭黑会影响渗碳的正常进行。在扩散阶段若吸收的活性碳原子数量小于扩散的数量，会造成表面的含碳量达不到技术要求，扩散速度则会明显减慢。气体渗碳分类气体渗碳是工件在气体介质中进行碳渗入的方法。渗碳气体可以用碳氢化合物有机液体，如煤油、丙酮等直接滴入炉内气化而得。气体在渗碳温度热分解，析出活性原子，渗入工件表面。也可以将事先制备好的一定成分的气体通入炉内，在渗碳温度下分解出活性碳原子渗入工件表面来进行渗碳。[5]用有机液体直接滴入渗碳炉内的气体渗碳法称为滴注式气体渗碳。而事先制备好渗碳气氛然后通入渗碳炉内进行渗碳的方法，根据渗碳气的制备方法分为吸热式气氛渗碳、氮基气氛渗碳等。1）滴注式气体渗碳当用煤油等作为渗碳剂直接滴入渗碳炉内进行渗碳时，由于在渗碳温度热分解时析出活性碳原子过多，往往不能全部被钢件表面吸收，而在工件表面沉积成炭黑、焦油等，阻碍渗碳过程的继续进行，造成渗碳层深度及碳浓度不均匀等缺陷，为了克服这些缺点，今年来发展了滴注式可控气氛渗碳。这种方法无需特殊设备，只要对现有井式渗碳炉稍加改装，配上一套测量控制仪表即可。滴注式可控气氛渗碳一般采用两种有机液体同时滴入炉内。一种液体产生的气体碳势较低，作为稀释气体；另一种液体产生的气体碳势较高，作为富化气。改变两种液体的滴入比例，可使零件表面含碳量控制在要求的范围内。2）吸热式气氛渗碳用吸热式气氛进行渗碳时，往往用吸热式气氛加富华气的混合气进行渗碳，其碳势控制靠调节富华气的添加量来实现。一般常用丙烷作富华气。当用CO2红外线分析控制仪控制炉内碳势时，其操作原理基本上与滴注式气体渗碳相同。不过在此处只开启富华气的阀门，调整富华气的流量来调节炉气碳势。由于吸热式气氛需要有特殊的气体发生设备，其启动需要一定的过程，故一般适用于大批量生产的连续作业炉。连续式渗碳在贯通式炉内进行。一般贯通式炉分成四个区，以对应于渗碳过程的四个阶段（加热、渗碳、扩散和预冷淬火）。不同区域要求气氛碳势不同，以此对碳势进行分区控制。3）氮基气氛渗碳氮基气氛渗碳是指以氮气为载体，添加富华气或其他供碳剂的气体渗碳方法，该方法具有能耗低、安全、无毒等优点。本实验中选用氮基气氛进行渗碳。渗碳工艺渗碳的目的是在工件表面获得一定的表面碳浓度、一定的碳浓度梯度及一定的渗层深度。选择渗碳工艺规范的原则是如何以最快的速度、最经济的效果获得符合要求的渗碳层。可控气氛渗碳的工艺参数包括渗碳剂类型及单位时间消耗量、渗碳温度、渗碳时间。1.渗碳剂消耗量滴注式可控气氛渗碳时，首先把滴注剂总流量调整至使炉气达到所需碳势，然后在渗碳过程中根据炉气碳势的测定结果稍加调整稀释剂（甲醇）与渗碳剂（丙酮）的相对含量（也可只调整渗碳剂流量）。吸热式可控气氛渗碳时，吸热式气体作为载体，而用改变富华气的流量来调整炉内碳势。一般载体（稀释气）气体以充满整个炉腔容积，并使炉内气压较大气压高10mm水柱，使炉内废气能顺利排出，即认为满足要求。一般每小时所供气体体积约为炉膛容积的2.5-5倍，即通常所称的换气倍数。富华气根据碳势要求而添加，若用丙烷作为富华气，在渗碳区的加入量一般为稀释气的千分之一到千分之一点五。2.渗碳温度和时间在可控气氛渗碳时，由于气氛碳势被控制在一定值，因而渗碳温度和时间对渗层的影响完全反映在渗层深度及碳浓度分布曲线上。渗碳温度越高，渗碳时间越长，渗层越深，碳浓度的分布越平缓。渗碳前的预备热处理在渗碳前为保证心部有一定的强度满足基体的工作需要和为渗碳作好组织准备，有些渗碳件需进行预备热处理。在实际生产中常用的处理方法有以下方面。[7]正火——组织为细片状珠光体+少量铁素体。调质——淬火+高温回火组织为均匀回火索氏体和均匀粒状珠光体。正火+高温回火——组织为均匀粒状或细片状珠光体+少量铁素体。渗碳后的碳浓度及渗碳层及其组织渗碳层碳浓度及渗碳层的测定。通常零件渗碳后其渗碳层深度的测定可采用金相法。钢渗碳后的缓冷组织。当零件表面的含碳量高于0.8%时，其组织为二次渗碳体+珠光体；当含碳量大于1.0%时，二次渗碳体将呈明显的网状碳化物，由共析层到中心含碳量逐渐降低，表面为珠光体加铁素体亚共析组织。[7]渗碳后零件的热处理渗碳热处理后的组织及性能渗碳后热处理的目的是提高渗碳层表面的硬度、强度和耐磨性能；提高心部的强度和韧性；细化晶粒；消除网状的渗碳体和减少残余奥氏体；消除内应力，稳定尺寸。正常的渗碳淬火组织为细针状的马氏体，低碳钢与低合金钢渗碳层淬火表面硬度可达60-64HRC，而高合金钢渗碳层淬火后的硬度为56-60HRC。渗碳后钢的耐磨性比普通淬火的中碳合金钢有明显的提高，能保证最高耐磨性的组织为细针状马氏体或隐晶马氏体加上细小球状碳化物和少量均匀分布的残余奥氏体。实践表明，渗碳除了能使零件表面硬度和耐磨性提高外，同时能提高刚件在弯曲和扭转载荷作用下的疲劳强度。渗碳后的几种热处理方法渗碳后进行淬火加低温回火处理，回火温度一般为160-180摄氏度，保温时间不低于1.5h，来改善渗碳钢的强韧性和稳定零件的尺寸。渗碳零件经过热处理后，表层的组织应为细针状的回火马氏体、均匀分布的细粒状碳化物以及少量的残余奥氏体，处理后的表面硬度可达到58-63HRC，其心部组织随钢种和零件的形状及尺寸不同而不同，通常应为低碳马氏体、极细珠光体或细珠光体，金相组织中不允许存在大块、多量的游离铁素体，其硬度范围为20-45HRC。渗碳层可采用断口法和金相法进行检测。

实验内容2.1实验材料及设备实验材料本实验所用材料为东风汽车公司刃量具厂生产的变速箱齿轮坯料，该坯料材质为20CrMnTi，没有进行热处理。实验设备本课题主要研究20CrMnTi齿轮渗碳后的组织与性能。首先要将材料在连续式气体渗碳生产线上进行渗碳、淬火、回火，然后在金相显微镜下观察组织及渗碳层的厚度，并用磨损试验机测量摩擦系数。用到的设备有连续式气体渗碳生产线、PC-2G型金相试样抛光机、XQJ-2B金相镶样机、XJP-100型金相显微镜、M-2000型摩擦磨损试验机、电子分析天平、箱式炉以及线切割机。2.2实验步骤2.2.1线切割为了方便渗碳完成后对材料进行金相组织观察和摩擦磨损实验，首先用线切割机编程并将20CrMnTi齿轮切成若干块30×6×7的小块。30×6×7是磨损实验中上模样块的标准尺寸。2.2.2渗碳淬火热处理渗碳所用连续热处理炉简介渗碳实验在东风汽车公司刃量具厂的连续式气体渗碳自动线上进行，这条生产线于今年引进。设备已完成安装，还没有进行批量生产，正在调试过程中。下图是设备外形及工艺平面布置图。图2.1连续式气体渗碳自动线图2.2工艺平面布置图该设备有如下特点：（1）配独立加热室、独立降温室—保温控、碳控准确性；（2）出料辊道与抛丸上料位对接；可在辊道上装夹工件，也可在辊道外装夹好后用小车送到辊道上—保物流便捷；（3）加热炉装碳化硅导风马弗—保加热均匀性；（4）炉顶采用拱形结构，加热炉和渗碳炉炉壁保温层增加—保炉膛寿命、保温性；（5）做双油槽，一个装分级油、一个装快冷油—保工艺柔性；（6）油槽采用双侧油搅拌，搅拌方向、速度可调—保冷却均匀性；（7）配置三气体分析仪，CO测量值参与碳式调节—保碳控准确性；（8）配三工位前、后清洗机—保证产品洁净度；（9）前、后清洗机内胆和管道采用不锈钢，—可用酸性清洗液；（10）后清洗机增加喷淋喷嘴数量、清洗槽清洗功能，喷淋压力≥0.6MPa—保洗净力好；（11）关键元器件如高温搅拌风机、泵、电机、调功器、PLC等采用世界名牌—保性能稳定；（12）高温冷却风扇、高温推头、高温加热器加热丝、辐射管等采用高配材料—保性能稳定，可930-970℃高温渗碳。工艺流程后清洗冷水浸泡上料后清洗冷水浸泡上料回火淬火前清洗回火淬火前清洗检查降温/检查降温/均温预氧化卸料渗碳/扩散加热卸料渗碳/扩散加热图2.4工艺流程图图2.4是工艺流程图。首先将零件装盘，送入清洗机中进行清洗，主要是清除零件表面附着的锈斑、油渍、污垢、切削液和研磨膏扥发，以避免妨碍热处理的加热和冷却，降低介质的纯度，以及防止淬火后产生硬度不均和软点等缺陷，影响热处理的效果。然后料盘进入预氧化炉，预氧化炉将工件加热到450℃，使工件上粘度较大的残油气化和干脂的的漆面燃烧灰化，同时使工件表面有轻微的氧化，起到活化零件表面的作用，同时也是对零件的一个预热处理过程。预氧化后，料盘进入主体渗碳炉的加热室，在加热室，工件首先被加热到800℃使其奥氏体化，然后被加热到900℃为后续渗碳做准备。加热完成后，零件被送入渗碳室进行渗碳处理。渗碳温度和碳势对渗碳速度会产生影响，随着温度的上升，碳在钢中的扩散系数上升，渗碳速度加快，但渗碳温度过高会造成晶粒长大，工件畸变增大，使设备寿命降低，所以渗碳温度一般控制在900-950℃。渗碳介质中碳势越高，渗碳速度就越快，但渗层碳浓度梯度增大，同时，碳势过高，还会在零件表面发生积碳。渗碳处理过程可分为三部分：强渗碳I、强渗碳II、扩散处理。渗碳完成后，侧推料机将零件推入淬火降温室进行零件降温处理，是零件温度达到要求的淬火温度为淬火作好组织准备。降温完成后，零件被送入淬火室进行淬火处理。淬火油槽在淬火室下部，零件进入淬火室升降料台，升降料台迅速降下对零件进行淬火处理，然后零件通过淬火油槽底部推出淬火室，提升料台将零件提升出油面，随后零件进入切斜料台进行滤油处理。滤油后零件进入水槽用冷水浸泡，然后进入清洗室分别用清洗液、清水对零件进行喷淋清洗，再用空气将零件吹干。吹干后将零件送入回火炉进行低温回火，回火完成后零件从回火炉出来进入空冷轨道冷却。最后传送到卸料台卸料检查。完成零件的渗碳淬火热处理过程。各工序具体参数如表2.1所示。表2.1各工序具体方案2.2.3金相组织观察实验步骤首先在XQJ-2B金相镶样机上镶样。镶样是将式样嵌入树脂中，可方便试样的打磨和抛光，改善制备结果。镶样有两种方法，分别是热镶法和冷镶法，实验中采用热镶法。需要注意的是，镶样前试样必须清洗干净，不得带油污或其他污渍，以保证树脂对试样的最佳黏着力。实验过程中要不断的压紧镶样机。镶样完成后用砂纸对试样进行打磨。可以直接打磨，也可以在磨光机上打磨。打磨过程需要注意的是应沿着同一个方向打磨，用粗砂纸打磨完成换细砂纸后，要换一个打磨方向，待划痕完全盖住上一道划痕后，再换更细的砂纸打磨。试样打磨完成后先清洗，然后在抛光机上抛光。抛光完成后清洗试样，然后用5%硝酸酒精溶液腐蚀。在金相显微镜下观察试样组织，并作好记录。2.2.4摩擦磨损实验摩擦磨损试验是测定材料抵抗磨损能力的一种材料试验。通过这种试验可以比较材料的耐磨性优劣。磨损试验比常规的材料试验要复杂。首先需要考虑零部件的具体工作条件并确定磨损形式，然后选定合适的试验方法，以便使试验结果与实际结果较为吻合。磨损形式有磨料磨损、粘着磨损、接触疲劳磨损、微动磨损、气蚀等。然而在实际运转条件下往往不止出现一种磨损形式，例如大功率柴油机轴瓦可能同时出现粘着磨损和气蚀。与其他试验相比，磨损试验受载荷、速度、温度、周围介质、表面粗糙度、润滑和偶合材料等因素的影响更大。试验条件应尽可能与实际条件一致,才能保证试验结果的可靠性。实验所用摩擦磨损试验机为M2000型，该多功能摩擦磨损试验机适用于SH/T0190-92液体润滑剂摩擦系数测定法、GB12444.1-90金属磨损试验方法及GB3960-83塑料滑动摩擦磨损试验方法，可做各种金属材料及非金属材料（尼龙、塑料等）在滑动摩擦、滚动摩擦、滚动滑动复合摩擦和间歇接触摩擦各种状态下的耐磨性能试验，并可模拟各种材料在不同的摩擦条件下进行湿摩擦、干摩擦以及磨料磨损等多种试验，可测定各种材料的摩擦系数。经改造后该摩擦磨损试验机具有计算机数据处理系统，可时实显示试验力、摩擦力矩、摩擦系数、试验时间等参数，并可记录试验过程中摩擦系数-时间等多种试验曲线。由于该机功能多，结构简单可靠，使用方便，且在该机型上建立了多个标准试验方法，且在国外使用较多，所以在国内外摩擦学研究领域有非常广泛的应用。考虑到齿轮传动中主要的磨擦形式为啮合齿面间的相对滑动造成的滑动摩擦，因此实验选用滑动摩擦。查阅相关资料后，对磨样材料选用T10钢，并进行热处理。实验参数设定如下表所示：表2.1摩擦磨损实验参数试验形式试验条件力矩测程下试样转速测量时间压力载荷滑动摩擦干式0-5N*m195n/min60min100N其中，在试验条件的选择上，由于试样渗碳后进行了低温回火，考虑到磨损试验会令试样温度升高，组织有可能发生变化，理论上应该进行湿磨。但根据[]，在低速和轻载条件下，干滑动摩擦表面温度较低。且湿磨后润滑油如果没有清洗干净还会对试样的重量产生影响，从而影响到计算结果。综合考虑下，选择干磨。实验结果与分析3.1金相分析图3.1芯部组织400×图3.1是放大400倍后芯部纤维组织。由于碳原子没有渗入芯部，芯部仍然为原始低碳钢组织。从上图可以看出，经过淬火并低温回火后，芯部组织为低碳回火马氏体+铁素体。其中，马氏体为板条状。图3.2渗层组织400×图3.2是放大400倍后表层金相组织。经过渗碳后，表层含碳量可达1%左右[5]。由上图可以看出，经过淬火并低温回火后，表层组织为回火马氏体+碳化物+残余奥氏体。研究表明，渗碳层中存在适量残余奥氏体，对渗碳工件的性能有利。渗碳层中残余奥氏体的存在，不一定减小有利的表面残余压应力。残余奥氏体较软，塑性较高，可以驰豫局部应力，因而对微观区域的塑性变形有一定的缓冲作用。一般认为渗碳层中的残余奥氏体含量可以提高到20%-25%。图3.3测量渗碳层厚度40×图3.3是在金相显微镜下放大40倍后的组织形态。从图中可以清晰的看出渗碳层组织和芯部组织有明显的区别，且渗碳层均匀，各面厚度基本一致。通过软件测量出的渗碳层厚度大致在1毫米到1.2毫米之间。图3.4磨损试验后金相组织100×图3.5磨损试验后金相组织400×图3.4是磨损试验后试样的金相组织。可以看出，由于摩擦实验中局部产生了高温，相当于对试样进行了高温回火。磨痕附近局部区域组织发黑，经分析为回火屈氏体。3.2硬度分析表2.2是用显微硬度计测得的试样表层和芯部的硬度值。结果表明，芯部的硬度值在31HRC-42HRC之间，表层硬度值在58HRC-64HRC之间。20CrMnTi齿轮在渗碳热处理后，表层硬度值有了大幅提升，耐磨性能也因此得到了提高，而芯部较软，保留了良好的韧性和塑性。表2.2硬度值渗层芯部维氏硬度HV换算为洛氏硬度HRC维氏硬度HV换算为洛氏硬度HRC671.658.8314.331.5776.863.0350.335.5784.063.5389.741.73.3磨擦性能分析表3.3上磨样和对磨样重量上磨样重量/g对磨样重量/g实验前8.711982.1752实验后8.707682.1096表3.3是磨损实验前后分别用电子分析天平测得的上磨样和对磨样重量，下式中W表示上磨样的质量变化，W'表示对磨样的质量变化W=W0-W1=8.7119-8.7076=0.0043gW'=W0'-W1'=82.1752-82.1096=0.0656g经过计算后可以看出，上磨样的磨损量比对磨样小的多，但都不大。表3.4实验结果力矩最大值/N*m力矩平均值/N*m平均摩擦系数摩擦功0.960.420.2135874.59表3.4是实验过程中由计算机软件测出的实验数据。其中，平均摩擦系数的计算公式如下：μ=TRT—力矩，R—对磨样半径，P-载荷。图3.6T10/渗碳低回20CrMnTi力矩和摩擦系数图3.6是T10/渗碳低回20CrMnTi钢摩擦副在转速195rpm，载荷100N干摩擦60min条件下，力矩和摩擦系数随时间变化图。实验采样了47000个点，上图只显示了32000个点，但足以看出变化趋势。可以看出，实验开始时，随时间的变化，力矩和摩擦系数上下波动很大，没有规律。在采样点数约为第3500个点时，摩擦力矩和摩擦系数达到最大值，然后快速下降后又经过一个爬升阶段后迅速趋于稳定。稳定之前呈现波动上升的这一阶段就是磨合阶段，这一阶段，摩擦系数随滑动时间的增加而增大。在采样点数约为8200个点时，力矩和摩擦系数趋于稳定，稳定后摩擦系数和力矩值在平均值附近波动，分别为0.42N*m和0.21。结论本文通过对20CrMnTi齿轮坯料进行渗碳、淬火、低温回火，并观察金相组织，测量渗碳层厚度以及测定摩擦系数，得出以下结论：1）热处理后组织：表层为回火马氏体+析出碳化物+残余奥氏体，芯部为回火马氏体+铁素体。其中，表层残余奥氏体量适中，对齿轮性能的提高有积极作用，铁素体含量不多，芯部有足够的塑性和韧性。2）渗碳层厚度为1-1.2mm，渗碳层均匀。3）表层硬度值在58-64HRC之间，芯部硬度在31-42HRC之间，满足齿轮对表层和芯部硬度值的要求。4）平均摩擦系数为0.21，力矩最大值为0.96，磨擦性能良好。综上所述，按照设定的工艺参数对20CrMnTi齿轮进行热处理，能显著改善齿轮的显微组织和机械性能，其表层硬度和耐磨性能提高的同时，使芯部保留了良好的塑