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齒輪減速器涉及的熱處理工藝

2017-5-24 15:39 中國泵閥第一網 點擊:4494

滲碳淬火是金屬材料常見的一種熱處理工藝,它可以使滲過碳的工件表面獲得很高的硬度,提高其耐磨程度。傳統工藝主要有:低溫回火、預冷直接淬火、一次加熱淬火、滲碳高溫回火、二次淬火冷處理、滲碳后感應加熱等工序。淬火工藝在現代機械制造工業得到廣泛的應用。機械中重要零件,尤其在汽車、飛機、火箭中應用的鋼件幾乎都經過淬火處理。為滿足各種零件干差萬別的技術要求,發展了各種淬火工藝。

滲碳:是對金屬表面處理的一種,采用滲碳的多為低碳鋼或低合金鋼,具體方法是將工件置入具有活性滲碳介質中,加熱到900--950攝氏度的單相奧氏體區,保溫足夠時間后,使滲碳介質中分解出的活性碳原子滲入鋼件表層,從而獲得表層高碳,心部仍保持原有成分. 相似的還有低溫滲氮處理。這是金屬材料常見的一種熱處理工藝,它可以使滲過碳的工件表面獲得很高的硬度,提高其耐磨程度。

滲碳(carburizing/carburization) 滲碳是指使碳原子滲入到鋼表面層的過程。也是使低碳鋼的工件具有高碳鋼的表面層,再經過淬火和低溫回火,使工件的表面層具有高硬度和耐磨性,而工件的中心部分仍然保持著低碳鋼的韌性和塑性。

滲碳工件的材料一般為低碳鋼或低碳合金鋼(含碳量小于0.25%)。滲碳后﹐鋼件表面的化學成分可接近高碳鋼。工件滲碳后還要經過淬火﹐以得到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲勞強度﹐并保持心部有低碳鋼淬火后的強韌性﹐使工件能承受沖擊載荷。滲碳工藝廣泛用于飛機﹑汽車和拖拉機等的機械零件﹐如齒輪﹑軸﹑凸輪軸等。

滲碳工藝在中國可以上溯到2000年以前。最早是用固體滲碳介質滲碳。液體和氣體滲碳是在20世紀出現并得到廣泛應用的。美國在20年代開始采用轉筒爐進行氣體滲碳。30年代﹐連續式氣體滲碳爐開始在工業上應用。60年代高溫(960~1100℃)氣體滲碳得到發展。至70年代﹐出現了真空滲碳和離子滲碳。

滲碳與其他化學熱處理一樣﹐也包含3個基本過程。

①分解

滲碳介質的分解產生活性碳原子。

②吸附

活性碳原子被鋼件表面吸收后即溶到表層奧氏體中﹐使奧氏體中含碳量增加。

③擴散

表面含碳量增加便與心部含碳量出現濃度差﹐表面的碳遂向內部擴散。碳在鋼中的擴散速度主要取決于溫度﹐同時與工件中被滲元素內外濃度差和鋼中合金元素含量有關。

滲碳零件的材料 一般選用低碳鋼或低碳合金鋼(含碳量小於0.25%)。滲碳后必須進行淬火才能充分發揮滲碳的有利作用。工件滲碳淬火后的表層顯微組織主要為高硬度的馬氏體加上殘余奧氏體和少量碳化物﹐心部組織為韌性好的低碳馬氏體或含有非馬氏體的組織﹐但應避免出現鐵素體。一般滲碳層深度范圍為0.8~1.2毫米﹐深度滲碳時可達2毫米或更深。表面硬度可達HRC58~63﹐心部硬度為HRC30~42。滲碳淬火后﹐工件表面產生壓縮內應力﹐對提高工件的疲勞強度有利。因此滲碳被廣泛用以提高零件強度﹑沖擊韌性和耐磨性﹐借以延長零件的使用壽命。

按含碳介質的不同﹐滲碳可分為固體滲碳﹑液體滲碳﹑氣體滲碳和碳氮共滲。

滲碳工藝:

1、 直接淬火低溫回火

組織及性能特點:不能細化鋼的晶粒。工件淬火變形較大,合金鋼滲碳件表面殘余奧氏體量較多,表面硬度較低

適用范圍: 操作簡單,成本低廉用來處理對變形和承受沖擊載荷不大的零件,適用于氣體滲碳和液體滲碳工藝。

2 、 預冷直接淬火、低溫回火,淬火溫度800-850℃

組織及性能特點:可以減少工件淬火變形,滲層中殘余奧氏體量也可稍有降低,表面硬度略有提高,但奧氏體晶粒沒有變化。

適用范圍: 操作簡單,工件氧化、脫碳及淬火變形均小,廣泛應用于細晶粒鋼制造的各種工具。

3、 一次加熱淬火,低溫回火,淬火溫度820-850℃或780-810℃

組織及性能特點:對心部強度要求較高者,采用820-850℃淬火,心部為低碳M,表面要求硬度高者,采用780-810℃淬火可以細化晶粒。

適用范圍: 適用于固體滲碳后的碳鋼和低合金鋼工件、氣體、液體滲碳的粗晶粒鋼,某些滲碳后不宜直接淬火的工件及滲碳后需機械加工的零件。

4、 滲碳高溫回火,一次加熱淬火,低溫回火,淬火溫度840-860℃

組織及性能特點:高溫回火使M和殘余A分解,滲層中碳和合金元素以碳化物形式析出,便于切削加工及淬火后殘余A減少。

適用范圍: 主要用于Cr—Ni合金滲碳工件

5、 二次淬火低溫回火

組織及性能特點:第一次淬火(或正火),可以消除滲碳層網狀碳化物及細化心部組織(850-870℃),第二次淬火主要改善滲層組織,對心部性能要求不高時可在材料的Ac1—Ac3之間淬火,對心部性能要求高時要在Ac3以上淬火。

適用范圍: 主要用于對力學性能要求很高的重要滲碳件,特別是對粗晶粒鋼。但在滲碳后需經過兩次高溫加熱,使工件變形和氧化脫碳增加,熱處理過程較復雜。

6、 二次淬火冷處理低溫回火

組織及性能特點:高于Ac1或Ac3(心部)的溫度淬火,高合金表層殘余A較多,經冷處理(-70℃/-80℃)促使A轉變從而提高表面硬度和耐磨性。

適用范圍: 主要用于滲碳后不進行機械加工的高合金鋼工件。

7、 滲碳后感應加熱淬火低溫回火

組織及性能特點:可以細化滲層及靠近滲層處的組織。淬火變形小,不允許硬化的部位不需預先防滲。

適用范圍: 各種齒輪和軸類

滲碳的常見缺陷及其防止:

(一)碳濃度過高

⒈產生原因及危害:如果滲碳時急劇加熱,溫度又過高或固體滲碳時用全新滲碳劑,或用強烈的催滲劑過多都會引起滲碳濃度過高的現象。隨著碳濃度過高,工件表面出現塊狀粗大的碳化物或網狀碳化物。由于這種硬脆組織產生,使滲碳層的韌性急劇下降。并且淬火時形成高碳馬氏體,在磨削時容易出現磨削裂紋。

⒉防止的方法

①不能急劇加熱,需采用適當的加熱溫度,不使鋼的晶粒長大為好。如果滲碳時晶粒粗大,則應在滲碳后正火或兩次淬火處理來細化晶粒。

②嚴格控制爐溫均勻性,不能波動過大,在反射爐中固體滲碳時需特別注意。

③固體滲碳時,滲碳劑要新、舊配比使用。催滲劑最好采用4—7%的BaCO3,不使用Na2CO3作催滲劑。

(二)碳濃度過低

⒈產生的原因及危害:溫度波動很大或催滲劑過少都會引起表面的碳濃度不足。最理想的碳濃度為0.9—1.0%之間,低于0.8%C,零件容易磨損。

⒉防止的方法:

①滲碳溫度一般采用920—940℃,滲碳溫度過低就會引起碳濃度過低,且延長滲碳時間;滲碳溫度過高會引起晶粒粗大。

②催滲劑(BaCO3)的用量不應低于4%。

 

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(三)滲碳后表面局部貧碳:

⒈產生的原因及危害:固體滲碳時,木炭顆粒過大或夾雜有石塊等雜質,或催滲劑與木炭拌得不均勻,或工件所接觸都會引起局部無碳或貧碳。工件表面的污物也可以引起貧碳。

⒉防止的方法

①固體滲碳劑一定要按比例配制,攪拌均勻。

②裝爐的工件注意不要有接觸。固體滲碳時要將滲碳劑搗實,勿使滲碳過塌而使工件接觸。

③卻除表面的污物。

(四)滲碳濃度加劇過渡

⒈產生的原因及危害:滲碳濃度突然過渡就是表面與中心的碳濃度變化加劇,不是由高到低的均勻過渡,而是突然過渡。產生此缺陷的原因是滲碳劑作用很強烈(如新配制的木炭,舊滲碳劑加得很少),同時鋼中有Cr、Mn、Mo等合金元素是促使碳化物形成強烈,而造成表面高濃度,中心低濃度,并無過渡層。產生此缺陷后造成表里相當大的內應力,在淬火過程中或磨削過程中產生裂紋或剝落現象。

⒉防止的方法:滲碳劑新舊按規定配比制,使滲碳緩和。用BaCO3作催滲劑較好,因為Na2CO3比較急劇。

(五)磨加工時產生回火及裂紋

⒈產生的原因:滲碳層經磨削加工后表面引起軟化的現象,稱之為磨加工產生的回火。這是由于磨削時加工進給量太快,砂輪硬度和粒度或轉速選擇不當,或磨削過程中冷卻不充分,都易產生此類缺陷。這是因為磨削時的熱量使表面軟化的緣故。磨削時產生回火缺陷則零件耐磨性降低。

表面產生六角形裂紋。這是因為用硬質砂輪表面受到過份磨削,而發熱所致。也與熱處理回火不足,殘余內應力過大有關。用酸浸蝕后,凡是有缺陷部位呈黑色,可與沒有缺陷處區別開來。這是磨削時產生熱量回火。使馬使體轉變為屈氏體組織的緣故。其實,裂紋在磨削后肉眼即可看見。

⒉防止的方法:

①淬火后必須經過充分回火或多次回火,消除內應力。

②采用40~60粒度的軟質或中質氧化鋁砂輪,磨削進給量不過大。

③磨削時先開冷卻液,并注意磨削過程中的充分冷卻淬火

淬火目的:

淬火的目的是使過冷奧氏體進行馬氏體或貝氏體轉變,得到馬氏體

或貝氏體組織,然后配合以不同溫度的回火,以大幅提高鋼的強度、硬度、耐磨性、疲勞強度以及韌性等,從而滿足各種機械零件和工具的不同使用要求。也可以通過淬火滿足某些特種鋼材的鐵磁性、耐蝕性等特殊的物理、化學性能。

淬火工藝:

將金屬工件加熱到某一適當溫度并保持一段時間,隨即浸入淬冷介質中快速冷卻的金屬熱處理工藝。常用的淬冷介質有鹽水、水、礦物油、空氣等。淬火可以提高金屬工件的硬度及耐磨性,因而廣泛用于各種工、模、量具及要求表面耐磨的零件(如齒輪、軋輥、滲碳零件等)。通過淬火與不同溫度的回火配合,可以大幅度提高金屬的強度、韌性及疲勞強度,并可獲得這些性能之間的配合(綜合機械性能)以滿足不同的使用要求。另外淬火還可使一些特殊性能的鋼獲得一定的物理化學性能,如淬火使永磁鋼增強其鐵磁性、不銹鋼提高其耐蝕性等。淬火工藝主要用于鋼件。常用的鋼在加熱到臨界溫度以上時,原有在室溫下的組織將全部或大部轉變為奧氏體。隨后將鋼浸入水或油中快速冷卻,奧氏體即轉變為馬氏體。與鋼中其他組織相比,馬氏體硬度最高。淬火時的快速冷卻會使工件內部產生內應力,當其大到一定程度時工件便會發生扭曲變形甚至開裂。為此必須選擇合適的冷卻方法。根據冷卻方法,淬火工藝分為單液淬火、雙介質淬火、馬氏體分級淬火和貝氏體等溫淬火4類。   淬火效果的重要因素,淬火工件硬度要求和檢測方法:

淬火工件的硬度:

淬火工件的硬度影響了淬火的效果。淬火工件一般采用洛氏硬度計,測試HRC硬度。淬火的薄硬鋼板和表面淬火工件可測試HRA的硬度。厚度小于0.8mm的淬火鋼板、淺層表面淬火工件和直徑小于5mm的淬火鋼棒,可改用表面洛氏硬度計,測試HRN硬度。   在焊接中碳鋼和某些合金鋼時,熱影響區中可能發生淬火現象而變硬,易形成冷裂紋,這是在焊接過程中要設法防止的。

由于淬火后金屬硬而脆,產生的表面殘余應力會造成冷裂紋,回火可作為在不影響硬度的基礎上,消除冷裂紋的手段之一。

淬火對厚度、直徑較小的零件使用比較合適,對于過大的零件,淬火深度不夠,滲碳也存在同樣問題,此時應考慮在鋼材中加入鉻等合金來增加強度。

淬火是鋼鐵材料強化的基本手段之一。鋼中馬氏體是鐵基固溶體組織中最硬的相(表1),故鋼件淬火可以獲得高硬度、高強度。但是,馬氏體的脆性很大,加之淬火后鋼件內部有較大的淬火內應力,因而不宜直接應用,必須進行回火。

齒輪減速器涉及的熱處理工藝單介質淬火

工件在一種介質中冷卻,如水淬、油淬。優點是操作簡單,易于實現機械化,應用廣 泛。缺點是在水中淬火應力大,工件容易變形開裂;在油中淬火,冷卻速度小,淬透直徑小,大型工件不易淬透。

齒輪減速器涉及的熱處理工藝雙介質淬火

工件先在較強冷卻能力介質中冷卻到300℃左右,再在一種冷卻能力較弱的介質中冷卻,如:先水淬后油淬,可有效減少馬氏體轉變的內應力,減小工件變形開裂的傾向,可用于形狀復雜、截面不均勻的工件淬火。雙液淬火的缺點是難以掌握雙液轉換的時刻,轉換過早容易淬不硬,轉換過遲又容易淬裂。為了克服這一缺點,發展了分級淬火法。

齒輪減速器涉及的熱處理工藝分級淬火

工件在低溫鹽浴或堿浴爐中淬火,鹽浴或堿浴的溫度在Ms點附近,工件在這一溫度停留2min~5min,然后取出空冷,這種冷卻方式叫分級淬火。分級冷卻的目的,是為了使工件內外溫度較為均勻,同時進行馬氏體轉變,可以大大減小淬火應力,防止變形開裂。分級溫度以前都定在略高于Ms點,工件內外溫度均勻以后進入馬氏體區。現在改進為在略低于 Ms 點的溫度分級。實踐表明,在Ms 點以下分級的效果更好。例如,高碳鋼模具在160℃的堿浴中分級淬火,既能淬硬,變形又小,所以應用很廣泛。

齒輪減速器涉及的熱處理工藝等溫淬火

工件在等溫鹽浴中淬火,鹽浴溫度在貝氏體區的下部(稍高于Ms),工件等溫停留較長時間,直到貝氏體轉變結束,取出空冷。等溫淬火用于中碳以上的鋼,目的是為了獲得下貝氏體,以提高強度、硬度、韌性和耐磨性。低碳鋼一般不采用等溫淬火。

表面淬火

表面淬火是將剛件的表面層淬透到一定的深度,而心部分仍保持未淬火狀態的一種局部淬火的方法。表面淬火時通過快速加熱,使剛件表面很快到淬火的溫度,在熱量來不及穿到工件心部就立即冷卻,實現局部淬火。

齒輪減速器涉及的熱處理工藝感應淬火

感應加熱就是利用電磁感應在工件內產生渦流而將工件進行加熱。

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