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多用炉热处理渗碳工艺及应用分析

作者：秦泗义

来源：《科技创新与应用》2014年第05期

摘 要：随着工业自动化的飞速发展，多用炉热处理渗碳工艺得到广泛应用。文章就曲柄销热处理工艺的试制过程进行研究，对设备和数据进行分析，探讨多用炉热处理渗碳工艺技术的加工效果达到理想水平的方法，为企业创造了效益。工件进行炉热处理的过程主要为渗碳、淬火后再进行磨削加工，同时要求磨削后产品硬度符合工艺及使用要求。文章笔者就曲柄销热处理工艺的试制过程作为论点，围绕试制过程中，曲柄销的扭矩、过盈量、硬度、耐磨度、韧性等情况，对炉热处理渗碳工艺应用进行分析。 关键词：多用炉；热处理工艺；渗碳工艺

一般而言，曲柄分为：左右曲柄、连杆以及曲柄销等几个部分。在对这些20CnMo材质的零件进行热处理时，主要进行渗碳淬火工作[1]。因为这些零部件比较小，所以要求的硬化层相对较浅。具体详情为：成品渗碳层要求为0.6～0.9mm，表面硬度要求56～64HRC；热处理工序的理想值区间为：0.8～1.0mm（514HV），其中，工件表面硬度理想值区间为：57～64HRC。在热处理过程中，0.8～1.0mm（514HV），工件表面硬度理想值范围为：57～64HRC。就以上所述情况来看，按照硬度值的参考数据可以知道，这些零件都属于浅层渗碳。 1 曲柄热处理工艺分析

为使曲柄热处理项目结果达到理想效果，就前文所述内容来看，重点需要注意以下问题： （1）提前了解加工设备规格，确保一炉工件的硬化层符合要求。

（2）对热处理后的工件情况进行预估，检测工件硬化层硬度梯度是否达标，为后期磨削工作打好基础[2]。

（3）当曲柄完成压合时，查看扭矩程度。曲炳孔的表面、心部的硬度以及硬化层深度均会对扭矩效果造成影响。

对曲轴进行渗碳处理主要是为了：强化工件表面硬度，为扭矩达标奠定基础；工件进行渗碳处理后，能优化产品疲劳强度；合理达标的硬度，能有效辅助其他零件的装配工作；由于曲柄较小，十分注重强度韧性，因而对工件硬化层、心部硬度以及残余奥氏体的规格要求会更严格。

2 渗碳分析 2.1 硬化层深度

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渗碳层的深度，主要由炉热处理时的温度、时间以及碳势等因素来决定。渗碳层深度计算公式如下所示：

上述公式中，i为时间，T为绝对温度（K）。当渗碳温度为930℃时，A（T）值为0.670；当渗碳温度为960℃时，A（T）值为0.747。由此可见，渗碳层温度和碳在γ-Fe中的作用速度成正比。在温度保持稳定值时，渗层深度与渗碳时间成正比关系，由此可得出，温度与时间是决定渗层深度关键因素的结论。温度的变化也会使渗碳深度产生变化，因此在浅层渗碳过程中，必须准确的拿捏好渗碳温度[3]。否则，操作不当，温度过高，浅层渗碳中碳分子扩散速度快，作用时间短，渗碳深度有限，无法达到理想值。因此，需要合理降低温度，使碳分子扩散速度慢，获得更多便于操作的空间，减小成果与理想效果的偏差。为了让工件表面硬度达到最佳状态，炉器碳势高低必须严加控制。对于低合金渗碳钢，表面要求wc=0.75%-1.00%。虽然，渗碳层深度越深，产品的疲劳度和扭矩能力均能得到提升，但是会降低工件的冲击韧度。而且，工件心部材料会由于渗层的压迫导致发生变形。同时，渗层深度越深，扩散层相对会更深，因此工件心部含碳量超标的结果也不容忽视。经过淬火后，工件心部硬度以及强度都会提升，不过韧性低下，在进行曲柄压合时容易产生裂痕。 2.2 碳浓度梯度

硬化层硬度梯度，主要取决于渗碳层碳浓度梯度。碳势会决定渗碳层深度，工件表层成分波动，也会变得较为灵敏。因此，利用两段渗碳的方式，可以节省处理时间，保证渗碳质量，提高工作效率。不过，理论虽然如此，但在实际操作过程中，由于碳势气氛和工件表面碳浓度值并不统一，因此并不能使两段渗碳的工作优势体现出来。工件接受薄层渗碳时，渗碳时间均较短，因此气氛势能以及工件表面碳浓度无法达到平衡。面对这种情况。需要在热处理结束后，对工件进行磨削处理，但是如此一来，工件表面硬度又无法达标。渗碳层中碳浓度高，在淬火结束后表面将残留大量奥氏体，而磨削工作中产生的热能会催化奥氏体转化为马氏体，最终容易造成裂纹。据数据显示，碳在奥氏体中的溶解度（C）%=0.003T-1.47

（850℃≤T≤950℃）。得知900℃碳的溶解度为1.23%，930℃为1.32%。对炉器碳势的控制，是为实现零件表面含碳量达到理想值，对于低合金渗碳钢，表面要求wc=0.75%-1.00%；渗碳过程中可以采用一段碳势（恒碳势），也可以采用两段碳势（变碳势）的渗碳工艺。由此看来，在渗碳期间，可以运用高回火温度或反复加热的方式，保证工件表面硬度符合要求的同时，最大化减小残余奥氏体的含量与内应力，为磨削工作打好基础。 2.3 心部硬度

渗碳零件的力学性能，主要取决于渗碳钢心部的硬度情况。升温过程中碳势最高可以达到1.30%Cp，通过多次实验最终得出结论：心部硬度过高的工件，在使用过程中容易出现断裂情况。主要原因是心部硬度高，疲劳强度降低，韧性也大幅度下降。所以，小件心部硬度检测的工作不容忽视。 2.4 残余奥氏体

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研究结果显示，表面残留的奥氏体，如未超过一定范围并不会对工件抗疲劳性能产生不利影响。同时，适量的残余奥氏体能够有效改善淬火出现裂纹的情况。曲柄在于曲柄销进行压合的阶段，残余奥氏体在磨削工作中产生的热能会催化奥氏体转化为马氏体，最终容易造成裂纹。由此看来，在渗碳期间，可以运用高回火温度或反复加热的方式，保证工件表面硬度复核要求的同时，最大化减小参与奥氏体的含量与应力，为磨削工作打好基础。碳在奥氏体中的溶解度（C）%=0.003T-1.47（850℃≤T≤950℃）。得知900℃碳的溶解度为1.23%，930℃为1.32%。需要注意吸收能量，转换残余奥氏体的性能，辅助热处理工作能够顺利进行，帮助工件热处理效果达到理想状态。对此，既可以通过预处理的方式也可以利用清洁工件表面的方式，加强工件表面性能，确保渗层均匀度。 3 原因分析

3.1 经过研究，在升温排气阶段，不采用任何办法控制碳势，仅依靠甲醇的滴入，只能让气氛受到保护顺利进行置换。升温过程中碳势最高可以达到1.30%Cp，浅层渗碳的渗层均匀性受到一定影响，而深层渗碳的均匀度并未受到影响。工件进行炉热处理的过程主要为渗后再磨削加工，同时要求磨削后产品硬度符合要求。在一般情况下，工件进入多用炉吸热，炉内温度会直接下降到580℃，开始升温。在升温速率位4-6\的情况下，大约经过70-90min的时间，温度即可达到930℃。升温阶段，中门没有加热器，所以升温速度受到一定的抑制。 3.2 渗碳温度对工件的渗碳情况有着深远的影响，因此需要通过前室速降温，后室降温慢，才会实现后室工件扩散层比前室更深的效果。

3.3 工件淬火出炉时期，前室工件最先接触空气，因此温度下降比后室工件多，最终形成硬化层比后室浅的结果。 4 结束语

工件在进行进行炉热处理，通过渗碳再磨削的方式进行加工。由于后期需要进行磨削程序，因此对产品的硬度有一定要求。本文就曲柄销热处理工艺的试制过程作为论点，围绕试制过程中，曲柄销的扭矩、过盈量、硬度、耐磨度、韧性等情况，对炉热处理渗碳工艺应用进行分析。通过对数据和设备进行分析，通过对当前渗碳工艺技术不足之处的分析，探讨炉热处理渗碳工艺技术的加工效果达到理想水平的方法，为企业创造了效益。 参考文献

[1]张伟，朱百智.940℃渗碳工艺探索与应用[J].金属加工：热加工，2013（19）：45-46. [2]李光瑾，陈德华，任颂赞，等.重载大模数齿轮深层渗碳工艺精益化探讨[J].热处理技术与装备，2013（1）：31-36.