改善可控气氛内氧化的渗碳工艺摸索

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1、改善可控气氛内氧化的渗碳工艺摸索朱永新3770引言内氧化是氧扩散进入合金内部，并与氧亲和力较基体金属大的合金元素形成氧化物的过程。在渗碳和碳氮过程中形成内氧化是不利的，因此生产中需要加以控制。本文结合了可控气氛炉的特点，分析在不同温度下碳势对内氧化产生的影响，对渗碳过程中的碳势实行分段逐级控制，从而达到减小内氧化的目的。1可控气氛碳势控制原理各种可控气氛炉主要有CO,H2,N2及微量的CO2,H2O,CH4等气体组成，普遍以氧探头作为在线控制碳势，同时用钢箔片加以校正的方法。氧势控制的原理可由下列反应式简要说

2、明:CO↔［C］+1/2O2正常情况下，气氛中的CO值是恒定的，若测出炉气中的可变氧量，即可直接测定出炉气的性质、气氛的碳势。即氧探头是通过测量炉内的氧分压高低，间接反映碳势的高低。1.1氧探头工作原理氧探头采用空气作为参比气体，当炉内的氧分压与空气分压不同时，探头内外电极上将产生浓压电势E。其热力学关系为：E=0.215*T*ln(P空/P参）其中E为浓压电势(mv)；T为炉内温度（K）；P空为空气的氧分压（其值为0.2095atm）；P参为炉内气氛的氧分压。1.2不同温度状态下炉内氧分压的变化我们以CO含

3、量为20%的氮基气氛炉为例，当碳势设定为0.80%不变，将炉温（T1、T2、T3）分别设定为800℃，850℃，900℃，所测得的电势（E1、E2、E3）分别为1106，1118，1130，我们可以得到下面的关系：E1=1106=0.215*(800+273)*ln(0.2095/P1)E2=1118=0.215*(850+273)*ln(0.2095/P2)E3=1130=0.215*(900+273)*ln(0.2095/P3)计算后得到：ln(0.2095/P1)=4.795ln(0.2095/P2)=

4、4.630ln(0.2095/P3)=4.480从以上的计算可知，三种温度下的氧分压是不一样的，P1＜P2＜P3。在碳势值不变的情况下，炉内的氧分压随温度而升高，两者为线性正比关系。高温比低温更易于氧化，要减小氧化，高温渗碳时必须提高碳势。而在真空炉内渗碳时，真空状态使氧的分压极低，氧化作用被抑制。这也是真空炉渗碳，内氧化远远好于可控气氛炉渗碳的一个重要原因。2内氧化形成过程内氧化是氧和合金元素形成氧化物的过程，产生过程为：介质中的化学反应产生氧，氧与零件表面发生反应产生氧原子，经过表面吸收、扩散，使零件表面

5、固溶的氧浓度高于内部，在氧浓度梯度的作用下向内部扩散，使合金元素被氧化，形成氧化物，基体中合金元素贫化，并伴有脱碳。氧化过程中氧优先通过晶界扩散，同时也有晶内扩散，较低温度下晶界扩散起主要作用，高温时晶界扩散和晶内扩散都起作用。内氧化的形成过程与渗碳存在许多相似，与渗碳一样，随温度、时间的增加，内氧化逐渐加深。此外，渗碳炉存在漏气，渗碳剂中存在P、S等有害元素时会加剧内氧化的产生。3材料与内氧化的关系合金元素存在对内氧化有两方面的作用：一方面合金元素可以提高氧在钢中的扩散激活能，降低内氧化的速度，合金元素含量

6、高，内氧化速度减慢；另一方面，材料的合金化程度越高，渗碳后对材料的特性值的改变也越大，最明显的是，随着碳含量的增加，MS点下降，奥氏体的稳定性提高，导致淬火后出现大量的残余奥氏体，渗碳时必须降低碳势，使炉内的氧分压处于较高的状态，内氧化速度加快。因此，片面提高合金元素的含量，对内氧化反而不利。例如19CN、16MnCr5、20MnCr5等材料中,Mn、Cr含量远远高于8620H,20CrMo，在渗碳工艺上反而不容易控制。4渗碳工艺的调整一般的渗碳工艺可分：升温、强渗、扩散、淬火等几个主要阶段(见工艺A)。其中

7、扩散又分为高温扩散（920℃以上，碳势0.90%以下）和低温扩散（AC3以上30-50℃，碳势0.90%以下）两个阶段进行。扩散起到了降低表层碳含量的目的，为零件最终的淬火作好准备。工艺A从氧分压高低与碳势的关系看，提高碳势对减少内氧化显然是十分有利的，但是过分的使用高碳势又会使渗碳、淬火后渗层出现碳化物、残余奥氏体超差，硬度不够等更加严重的问题，因此生产中可以提高的幅度十分有限在实际生产中，高温持续的时间越长，碳势越低，内氧化的程度也越严重，这与高温下的氧分压高有直接关系，渗碳工艺进行以下几方面的调整(见工

8、艺B)：1）提早丙烷等富化剂通入的时间，使炉膛在较低温度时就形成一定的碳势；2）提高强渗、扩散时的碳势，将碳势设定接近奥氏体饱和水平。一方面可以降低氧分压，同时可以缩短渗碳时间；3）高温扩散时对内氧化的影响很大，因此缩短，甚至取消高温扩散时间；若残余奥氏体超超差，可以增加低温扩散时间；工艺B通过工艺调整，渗碳层深度在0.8mm以下，内氧化完全可以控制在0.015mm的范围内；渗碳层深度在1.3mm以