【文章內(nèi)容簡介】 金屬基體之間無明顯的分界面，而表面向內(nèi)部其成分、組織與性能是連續(xù)過渡的。本文所研究的實(shí)驗(yàn)室固體變形滲碳技術(shù)，即材料形變與化學(xué)熱處理的結(jié)合，其中化學(xué)熱處理中所用介質(zhì)為固體滲碳劑（85%的木炭和15%的BaCO3），即固體滲碳。 我國滲碳技術(shù)的發(fā)展材料熱處理在中國有悠久的歷史。與世界其他地區(qū)相比，中國古代熱處理技術(shù)的發(fā)展有明顯的區(qū)域特色，在某些方面中國的熱處理技術(shù)落后于其它地區(qū)，但也有許多發(fā)明和技術(shù)在世界熱處理史上處于遙遙領(lǐng)先的地位，其中不少成果還傳播到了世界各地，對世界熱處理技術(shù)的進(jìn)步 起到了直接的促進(jìn)作用。明清時(shí)期，我國開始在化學(xué)熱處理方面取得進(jìn)展，特別是在應(yīng)用液體滲碳方法制鋼方面，這時(shí)采用所謂的“生鐵淋口”技術(shù)，生產(chǎn)的鋼材被稱為“蘇鋼”。早年，滲碳是汽車拖拉機(jī)工業(yè)應(yīng)用最廣的工藝方法之一。50年代實(shí)現(xiàn)了從固體滲碳到井工爐中滴入液體滲劑的氣體滲碳的過渡，改善了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了工效。60年代初研制成功LiCl露點(diǎn)儀以后，首先在井式滲碳爐上實(shí)現(xiàn)了滴入甲醇和丙酮的可控滲碳。在掌握了吸熱式氣氛制備方法和研制成功密封滲碳爐以后，用露點(diǎn)儀實(shí)現(xiàn)了密封滲碳爐的碳勢控制。60年代末期研制成功紅外線二氧化碳分析儀。為了提高碳勢控制精度，在70年代推廣了紅外儀，主要用于井式爐的滴注式滲碳。目前用滴甲醇和煤油方式的可控滲碳已達(dá)到相當(dāng)普及的程度。尤其是在70年代末、80年代初大量引進(jìn)滴注式密封滲碳爐和多種微處理機(jī)可編程序控制器碳勢控制儀問世以后，在密封多用爐上也廣泛應(yīng)用起來了。80年代初期，研制成功國產(chǎn)碳分子篩制的同。隨后用氮基氣氛、甲醇和乙酸乙酯（或煤油）的合成氛滲碳法便應(yīng)運(yùn)而生。與此同時(shí)，引進(jìn)了氣氛微量氧（氧勢）測量、控制技術(shù)和儀器。目前應(yīng)用氮基合成氣氛和氧探頭的爐氣控制技術(shù)的滲碳、用微處理機(jī)控制碳勢和滲層深度的方法已在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。上世紀(jì)80年代以來，本土設(shè)備制造企業(yè)已能成系列生產(chǎn)密封多用爐、推桿連續(xù)爐滲碳、淬火、清洗、回火生產(chǎn)線和網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線。應(yīng)運(yùn)而生的尚有與之相配套的碳勢和工藝過程自動(dòng)控制系統(tǒng)的商品生產(chǎn)供應(yīng)。90年代以來，國際知名設(shè)備制造企業(yè)相繼在國內(nèi)建立合資，獨(dú)資生產(chǎn)廠，為熱處理企業(yè)提供了可靠性高，價(jià)格可以接受的先進(jìn)設(shè)備。為此，也刺激，提高了本土設(shè)備制造廠的制造水平，為近十年大量涌現(xiàn)的民營，股份制專營熱處理加工企業(yè)和國營大廠的熱處理技術(shù)改造和設(shè)備更新創(chuàng)造了好的條件。 本課題的主要研究內(nèi)容本課題名稱為Q235碳鋼實(shí)驗(yàn)室固體變形滲碳技術(shù)，主要是通過實(shí)驗(yàn)的手段并結(jié)合一些數(shù)學(xué)方法對Q235碳鋼經(jīng)拉伸變形后的固體滲碳工藝進(jìn)行深入研究，將材料變形和化學(xué)熱處理相結(jié)合，探索變形低碳鋼件固體滲碳工藝的相關(guān)技術(shù)及低碳鋼經(jīng)變形滲碳后主要性能的變化。 實(shí)驗(yàn)中將采用拉伸的方式對試樣進(jìn)行變形，同時(shí)為比較在不同變形條件下碳鋼的滲碳效果，特選取5%、10%、15%四組不同的變形率。對變形后的試樣進(jìn)行表面處理后，將試樣裝箱，再放在滲碳爐中滲碳。本實(shí)驗(yàn)滲碳保溫時(shí)間均為4小時(shí)，%，%，%的試件，在400℃、700℃、900℃三組不同滲碳溫度下滲碳，作為對比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。滲碳完了，對試樣進(jìn)行熱處理。最后，測量并比較滲碳件從表層到心部的硬度變化及滲碳件的抗拉強(qiáng)度，并用顯微鏡察滲碳件的滲碳層深度及內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)操作過程為整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的中心，實(shí)驗(yàn)的成功與否和效果決定了畢業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，而在滲碳過程中對加熱爐溫度和時(shí)間的控制與把握又是整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的難點(diǎn)，細(xì)節(jié)決定成敗，因此重視實(shí)驗(yàn)過程中每個(gè)細(xì)小的環(huán)節(jié)是做好本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 本文選題意義滲碳是使碳原子滲入鋼制工件表層的化學(xué)熱處理工藝。滲碳后，%。淬火并低溫回火后，在提高硬度和耐磨性的同時(shí)，心部能保持相當(dāng)高的韌性，可承受沖擊載荷，疲勞強(qiáng)度較高。滲碳工藝廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、機(jī)床等設(shè)備的重要零件中，如齒輪、軸和凸輪軸等。滲碳是應(yīng)用最廣、發(fā)展得最全面的化學(xué)熱處理工藝。用微處理機(jī)可實(shí)現(xiàn)滲碳全過程的自動(dòng)化，能控制表面含碳量和碳在滲層中的分布。通常形變熱處理主要是塑性成形和退火、正火等相變熱處理的結(jié)合，而很少有關(guān)于化學(xué)熱處理的研究和應(yīng)用，因此，研究變形低碳鋼的滲碳工藝具有獨(dú)特的工程學(xué)意義。第2章 低碳鋼固體預(yù)變形滲碳技術(shù) 滲碳 滲碳的概念及分類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(zhì)中，加熱到900950攝氏度的單相奧氏體區(qū)，保溫足夠時(shí)間后，使?jié)B碳介質(zhì)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?jié)B過碳的工件表面獲得很高的硬度，提高其耐磨程度。鋼的滲碳就是將鋼件置于具有足夠碳勢的介質(zhì)中加熱到奧氏體狀態(tài)并保溫，使其表層形成富碳層的熱處理工藝，是目前機(jī)械制造業(yè)中應(yīng)用最廣的化學(xué)熱處理。所謂碳勢，是指滲碳?xì)夥张c鋼件表面達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)鋼表面的含碳量。碳勢高低反映了爐氣滲碳能力的減弱[4]。低碳鋼滲碳后，表層變成高碳，而心部仍為低碳，經(jīng)淬火及低溫回火后，表面層獲得高硬度、高耐磨性及疲勞抗力，而心部仍保持足夠的強(qiáng)度和韌性。這是機(jī)械零件的一種理想狀態(tài)。因此，機(jī)械零件為獲得高的表面硬度、高的接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度、高的沖擊韌性等時(shí)，通常采用滲碳工藝。通過對Q235碳鋼實(shí)驗(yàn)室固體變形滲碳的研究，希望獲得實(shí)驗(yàn)室條件下合理的變形熱處理滲碳工藝參數(shù)。主要工作包括Q235碳鋼成分的確定，預(yù)形變量與滲碳工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)，顯微組織觀察，性能測定與分析。滲碳的主要目的是在保持工件心部良好韌性的同時(shí)，提高其表面的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度。與表面淬火相比，滲碳主要用于那些對表面耐磨性要求較高，并承受較大沖擊載荷的零件。根據(jù)所用介質(zhì)物理狀態(tài)的不同，可將滲碳分為氣體滲碳、液體滲碳和固體滲碳三類。氣體滲碳具有碳勢可控、生產(chǎn)率高勞動(dòng)條件好和便于滲后直接淬火等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最廣。滲碳方法：按含碳介質(zhì)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。1. 固體滲碳法固體滲碳法是把滲碳工件裝入有固體滲劑的密封箱內(nèi)(一般采用黃泥或耐火粘土密封)，在滲碳溫度加熱滲碳的工藝。固體滲碳劑主要由一定大小的固體炭粒和起催滲作用的碳酸鹽組成，常用固體滲碳溫度為900~960℃。因?yàn)楦鶕?jù)鐵碳相圖，只有在奧氏體區(qū)域，鐵中碳的濃度才可能在很大范圍內(nèi)變動(dòng)，碳的擴(kuò)散才能在單相的奧氏體中進(jìn)行[5]。900~930℃這個(gè)溫度恰好較滲碳鋼的Ac3點(diǎn)稍高，保證了上述條件的實(shí)現(xiàn)。擴(kuò)散速度與溫度的關(guān)系為溫度愈高，擴(kuò)散速度愈快。按理可以采取比上述更高的溫度進(jìn)行滲碳。但溫度過高，奧氏體晶粒要發(fā)生長大，因而將降低滲碳件的機(jī)械性能。同時(shí)，溫度過高，將降低加熱爐及滲碳箱的壽命，也將增加工件的撓曲變形。固體滲碳時(shí)，由于固體滲碳劑的導(dǎo)熱系數(shù)很小，傳熱很慢，且滲碳箱尺寸往往又不相同，即使是尺寸相同，工件大小及裝箱情況（滲碳劑的密實(shí)度，工件間的距離等）也不完全相同，因而固體滲碳需增加透燒時(shí)間。在生產(chǎn)中常用試棒來檢查其滲碳效果。一般規(guī)定滲碳試棒直徑應(yīng)大于l0mm，長度應(yīng)大于直徑。固體滲碳時(shí)，滲碳溫度、滲碳時(shí)間和滲層深度間的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可在有關(guān)熱處理手冊中查到。但這些數(shù)據(jù)只能作為制訂滲碳工藝時(shí)參考，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)應(yīng)通過試驗(yàn)進(jìn)行修正。固體滲碳是一種古老的滲碳的方法，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，適應(yīng)性強(qiáng)，滲碳劑來源容易，費(fèi)用低，因此現(xiàn)在仍有一定的應(yīng)用。固體滲碳的缺點(diǎn)是：不適于滲層要求較淺的零件，表面碳含量也很難精確控制，滲后直接淬火困難，滲碳時(shí)間長，勞動(dòng)條件差。2. 液體滲碳法液體滲碳法為將工件浸于鹽浴中行滲碳的方法。因鹽浴的淬火性良好，因此可減少工件變形，并可使處理件加熱均勻，升溫迅速，操作簡便，便于多種少量的生產(chǎn)，尤其在同一爐，可同時(shí)處理不同滲碳深度的處理件。液體滲碳的優(yōu)點(diǎn)是加熱速度快，加熱均勻，便于滲碳后直接淬火，適合于小零件的單件或小批量生產(chǎn)。缺點(diǎn)是多數(shù)鹽浴有毒，易腐蝕零件，碳勢調(diào)整幅度小且不易精確控制，勞動(dòng)條件差等。3. 氣體滲碳法氣體滲碳是工件在氣體介質(zhì)中進(jìn)行碳的滲入過程的方法。滲碳?xì)怏w可以用碳?xì)浠衔镉袡C(jī)液體，如煤油、等直接滴入爐內(nèi)汽化所得。氣體滲碳，由于適合大量生產(chǎn)化，作業(yè)可以簡化，品質(zhì)管制容易算特點(diǎn)，目前最普遍被采用。在滲碳過程中，必須控制氣氛碳勢、溫度和時(shí)間，以保證技術(shù)條件所規(guī)定的表面碳含量、滲層深度和較平緩的碳濃度梯度。滲碳后根據(jù)爐型及技術(shù)要求，進(jìn)行直接淬火或重新加熱淬火，以獲得預(yù)期的組織和性能。 固體滲碳原理滲碳主要包括分解、吸收、擴(kuò)散三個(gè)基本過程。 1.分解含碳化合物的分解，形成活性碳原子(用[C]表示)：2CO—→CO2+[C](一氧化碳) (二氧化碳)CH4 —→2H2 +[C](甲烷)(氫)2.吸收高溫下活性碳原子與金屬表面接觸，被金屬表面吸收后，溶解于金屬基體或與金屬基體形成某種金屬化合物。 3.擴(kuò)散零件表面吸收(固溶)了碳原子后，表面含碳量增加，使零件表面與心部產(chǎn)生一定的碳濃度而促使表面碳原子逐步向心部擴(kuò)散。滲碳的結(jié)果取決于上述三個(gè)基本過程的關(guān)系。通過調(diào)整上述三個(gè)過程的關(guān)系，應(yīng)滿足如下主要的滲碳層質(zhì)量的要求：1）到達(dá)規(guī)定的滲碳層厚度（滲碳層厚度之計(jì)算，一般是從零件表層開始測量到過渡的二分之一處）。如滲碳層太薄時(shí)，在高負(fù)荷作用下，會(huì)使?jié)B碳層壓穿，如滲碳太厚，也將影響滲碳零件的抗沖擊能力；2）~%范圍內(nèi)。如含碳濃度過低(％)，則達(dá)不到所要求的高硬度，高耐磨性。如果含碳濃度過高(%)，則過剩碳化物較多，也使?jié)B碳層強(qiáng)度，尤其是疲勞強(qiáng)度下降，特別當(dāng)碳化物以針狀或網(wǎng)狀形式存在時(shí)由于馬氏體被這些脆性組織所割裂，對滲碳層強(qiáng)度起著特別有害的影響；3）含碳量沿深度的變化(也稱濃度梯度)要和緩，表層和心部之間的過渡區(qū)無明顯分界，以避免在使用過程中產(chǎn)生滲層剝落現(xiàn)象；4）過共析、共析層應(yīng)占整個(gè)滲碳層厚度的60~70％，最低限度應(yīng)不小于50％，這樣，淬火后才得到大致均勻的硬度，也不妨礙對滲碳層的最后研磨。固體滲碳是通過把零件埋在裝滿固體滲碳劑（主要成分是木炭，并有碳酸鈉﹑碳酸鋇等作催滲劑）的容器中加熱，在高溫下通過碳與催滲劑的化學(xué)反應(yīng)分解出活性碳原子，滲入零件表面的熱處理工藝。其過程中主要反應(yīng)如下： C + CO2 —→2CO —→ CO2+[C] —→ 工件BaCO3+C(木炭)—→ BaO2+CONa2CO3+C(木炭) —→ Na2O+2CO2CO—→CO2+[C]對鋼件滲碳層的技術(shù)要求主要是滲層表面含碳量、深層深度、有表層含碳量和滲層深度決定的碳濃度梯度、深層淬火回火后表面硬度，對重要滲碳零件還 經(jīng)常規(guī)定對表層及心部最后的金相組織要求（包括碳化物分布的級別、殘留奧氏體等級、表層和心部組織粗細(xì)等）。 滲碳件的熱處理與組織鋼件滲碳后，從表到心部依次形成了一個(gè)碳濃度梯度層。滲碳后緩冷，將得到珠光體類型的組織，由表面向內(nèi)依次為過共析區(qū)（珠光體+網(wǎng)狀滲碳體）、共析區(qū)（珠光體）、亞共析區(qū)（珠光體+鐵素體，且鐵素體的量由外向內(nèi)不斷增加），直至原始組織。顯然，這種組織既滿足不了滲碳件表面高硬度、高耐磨性的要求，也滿足不了心部耐磨性和良好強(qiáng)韌性的要求。為了滿足這些要求，必須進(jìn)行淬火和回火，對某些鋼還要進(jìn)行冷處理。常見的滲碳后熱處理方法有以下幾種： 1. 直接淬火：在工件滲碳后，預(yù)冷到一定溫度，然后立即進(jìn)行淬火冷卻。這種方法一般適用于氣體滲碳或液體滲碳。2. 一次加熱淬火：滲碳后緩冷，再次加熱淬火。如圖21所示。 圖21 一次加熱淬火工藝圖3. 兩次淬火：滲碳緩冷后，進(jìn)行再次加熱淬火。第一次淬火溫度在Ac3以上，第二次淬火加熱溫度選擇在高于滲碳層成分的Ac1點(diǎn)溫度（780~820℃）。不論采用哪種淬火方法，滲碳件的最終淬火后要經(jīng)150~190℃的低溫回火。這種低溫回火可以消除部分內(nèi)應(yīng)力，并使殘留奧氏體趨于穩(wěn)定。零件經(jīng)過滲碳之后，由于表面層和心部的含碳量相差較大，表面和心部熱處理的相變溫度發(fā)生了較大的差異；同時(shí)長時(shí)間高溫滲碳引起晶粒細(xì)化，使鋼的性能惡化。這些影響因素都給滲碳后的熱處理造成了困難。所以在實(shí)際生產(chǎn)中，要根據(jù)滲碳后的各種具體情況，分別采取不同的熱處理方法，主要根據(jù)以下幾個(gè)方面選定：1） 滲碳零件所用的鋼材類別；2） 組織、性能要求；3） 生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益；4） 滲碳方法與設(shè)備。 但是固體滲碳因?yàn)槭前褲B碳件放在滲碳箱中密封后，再放入滲碳爐中高溫滲碳，所以固體滲碳不便于直接淬火操作，通常可采用以下兩種方案：方案一：滲碳完畢，先使?jié)B碳件隨箱冷卻至500℃，然后拿出滲碳件置于空氣中正火處理；方案二：滲碳完畢，打開爐子，取出滲碳件置于空氣中正火冷卻至室溫后，重新加熱再淬火、回火處理。過共析 → 共析 → 亞共析 → 原始組織圖22 滲碳后正火冷卻從表層到心部的組織變化兩種方案各有其優(yōu)缺點(diǎn)。鑒于實(shí)驗(yàn)室條件有限，本實(shí)驗(yàn)將采取第一種熱處理方案。 滲碳件在淬透情況下，表層金相組織為淬火馬氏體+殘留奧氏體+二次滲碳體（普通鋼自滲碳溫度直接淬火時(shí)也可以不出現(xiàn)），心部為低碳馬氏體。回火后表層為回火馬氏體+殘留奧氏體+部分二次滲碳體，心部為回火低碳馬氏體。 滲碳件的性能滲碳件的性能是滲層和心部的組織結(jié)構(gòu)及滲層深度與工件直徑相對比例等因素的綜合反應(yīng)。1. 滲碳層的組織結(jié)構(gòu) 其組織結(jié)構(gòu)包括滲碳層碳濃度分布曲線、基體組織、滲層中的第二相分布、數(shù)量和形狀。一般希望滲層濃度梯度平緩。％左右。滲層中的殘余奧氏體的量不宜超過30％，2. 心部組織對滲碳件性能的影響 合適的心部組織應(yīng)為低碳馬氏體。但在零件尺寸