尤紹軍，孫茂林，楊春泉

(瓦房店軸承集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 瓦房店 116300)

1 概述

滲碳溫度每提高50 ℃，滲碳速度可以提高近1倍，因此，對(duì)滲碳層較厚的大型軸承套圈、齒輪及齒輪軸等滲碳零件，適當(dāng)提高滲碳溫度，可以極大地縮短滲碳時(shí)間，提高滲碳效率，降低生產(chǎn)成本。但滲碳溫度過(guò)高，易損壞滲碳爐和滲碳工裝，墊傷滲碳零件，使?jié)B碳零件晶粒粗大，力學(xué)性能降低。

文獻(xiàn)[1]對(duì)高溫滲碳技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明，短時(shí)間高溫滲碳(滲碳層深度不大于2 mm)不會(huì)使?jié)B碳零件晶粒粗大，力學(xué)性能降低。長(zhǎng)時(shí)間高溫滲碳(滲碳溫度高于1 000 ℃，滲碳層深度大于2 mm)會(huì)使?jié)B碳零件晶粒稍許長(zhǎng)大，但力學(xué)性能并未降低，經(jīng)過(guò)1 000 ℃高溫滲碳，850 ℃二次淬火和180 ℃回火后，所有鋼種均保持細(xì)晶粒，力學(xué)性能不比常規(guī)滲碳低，許多數(shù)據(jù)甚至超過(guò)常規(guī)滲碳。而且可以極大地提高滲碳速度，節(jié)能、降耗，縮短生產(chǎn)周期[1]。

美國(guó)將高溫滲碳技術(shù)列為21世紀(jì)熱處理技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)項(xiàng)目，大力研究滿足高于1 000 ℃滲碳要求的滲碳設(shè)備、碳勢(shì)檢測(cè)和控制技術(shù)。國(guó)外一些企業(yè)在對(duì)滲碳層深度要求較高的大型軸承套圈、齒輪和齒輪軸等零件滲碳時(shí)，廣泛采用了滲碳溫度970 ℃左右的普通高溫滲碳，并開始采用1 000 ℃以上的真空和等離子高溫滲碳。

國(guó)內(nèi)一些企業(yè)，也在滲碳層深度要求較高的大型齒輪、齒輪軸等零件滲碳時(shí)，采用滲碳溫度1 000 ℃以上的真空和等離子高溫滲碳。而國(guó)內(nèi)軸承企業(yè)沒(méi)有大型真空和等離子滲碳爐，廣泛使用的是最高滲碳溫度為950 ℃的滲碳爐。大型軸承套圈滲碳時(shí)，采用滲碳溫度950 ℃以下的普通滲碳，滲碳時(shí)間長(zhǎng)，效率低，生產(chǎn)成本高。我公司最近使用的TLON RQD-160/200TL大型井式滲碳爐，該爐設(shè)計(jì)最高使用溫度達(dá)1 050 ℃，理論上可以滿足970 ℃左右的滲碳工藝要求。下面使用該爐進(jìn)行970 ℃滲碳工藝的試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

TLON RQD-160/200TL大型井式滲碳爐的功率為280 kW，最高使用溫度1 050 ℃，最大裝爐量6 500 kg，有效加熱區(qū)Φ1 600 mm×2 000 mm。其配備的STANGE SE-607控制系統(tǒng)不僅可以對(duì)溫度、碳勢(shì)及滲碳工藝過(guò)程進(jìn)行一體化可變程序控制，而且通過(guò)運(yùn)算自動(dòng)確定滲碳和擴(kuò)散時(shí)間，可以很好地控制工件的表面碳濃度、滲碳層碳濃度分布及滲碳層深度，對(duì)任何一種新產(chǎn)品、新工藝，操作人員只需要輸入目標(biāo)溫度、目標(biāo)碳勢(shì)和目標(biāo)層深即可。采用氧探頭和紅外分析儀2套碳勢(shì)檢測(cè)系統(tǒng)，提高了碳勢(shì)檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。系統(tǒng)碳勢(shì)控制精度可以達(dá)到±0.05%。本試驗(yàn)僅使用了紅外分析儀測(cè)控系統(tǒng)。

2.2 試樣和裝爐方式

爐內(nèi)裝入2個(gè)試樣(1#，2#)，試樣材料為G20Cr2Ni4A，化學(xué)成分見(jiàn)表1，試樣尺寸(外徑×高度)為Φ25 mm×30 mm。為了增加裝爐量，爐內(nèi)裝入廢套圈，廢套圈墊墊片摞放在滲碳架上，試樣用鐵絲拴掛在套圈上，吊入爐內(nèi)。

表1 試樣化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

2.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)工藝流程：裝爐→升溫→滲碳→淬火→清洗→高溫回火→二次淬火→低溫回火。

滲碳工藝額定值見(jiàn)表2；高溫滲碳試驗(yàn)工藝見(jiàn)表3；正常滲碳工藝見(jiàn)表4。表3和表4內(nèi)的滲碳和擴(kuò)散時(shí)間通過(guò)運(yùn)算自動(dòng)確定。

表2 滲碳工藝額定值

表3 高溫滲碳工藝

表4 正常滲碳工藝

高溫回火：650 ℃×12 h，出爐空冷；二次淬火：800 ℃×0.6 h，出爐空冷；低溫回火：160 ℃×3.0 h。

1#試樣檢驗(yàn)高溫回火、二次淬火組織和硬度及硬度梯度；2#試樣剝層檢驗(yàn)碳濃度梯度。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

(1)滲碳爐運(yùn)行正常，無(wú)故障，證明可以滿足970 ℃左右的滲碳工藝要求，滲碳架無(wú)明顯的損壞，套圈端面有輕微墊傷。

(2)實(shí)際的滲碳工藝過(guò)程見(jiàn)表5。

表5 實(shí)際高溫滲碳工藝

(3)1#試樣二次淬火硬度及硬度梯度見(jiàn)表6(表中深度為距表面距離，下同)。

(4)2#試樣剝層檢驗(yàn)碳濃度梯度見(jiàn)表7。

(5)1#試樣檢驗(yàn)高溫回火、二次淬火組織見(jiàn)表8。

提高滲碳溫度到970 ℃對(duì)滲碳爐和滲碳架的損壞情況需在生產(chǎn)中進(jìn)一步驗(yàn)證，套圈端面有輕微墊傷，裝架時(shí)應(yīng)給套圈墊較多墊片并適當(dāng)控制堆放層數(shù)。

表6 1#試樣二次淬火硬度

表7 2#試樣碳濃度分布

表 8 1#試樣高溫回火和二次淬火組織

由表5可知，實(shí)際滲碳時(shí)間延長(zhǎng)了4.5 h，這是由于漏氣紅外分析儀測(cè)控系統(tǒng)對(duì)碳勢(shì)檢測(cè)不準(zhǔn)確，檢測(cè)碳勢(shì)只有0.9%，無(wú)法達(dá)到1.35%的設(shè)定碳勢(shì)，SE-607控制系統(tǒng)對(duì)滲碳工藝過(guò)程進(jìn)行了自動(dòng)修正所致。

1#試樣滲碳層深度為7.63 mm，是由于二次淬火心部硬度較高及試樣曲率較大，滲碳速度較快所致；1#試樣距表面0.6 mm內(nèi)有粗大(網(wǎng)狀)碳化物，距表面0.6～2.2 mm內(nèi)殘余奧氏體Ar較多，這是由于該處碳濃度較高(1.07%～1.19%)所致，只要將碳濃度控制在1.05%以下，即可以消除。其余高溫回火、二次淬火組織均良好，說(shuō)明提高滲碳溫度到970 ℃對(duì)高溫回火、二次淬火組織無(wú)明顯不良影響。

2#試樣滲碳層深度為6.15 mm，比目標(biāo)滲碳層深度5.0 mm多1.15 mm；2#試樣距表面2.7 mm內(nèi)碳濃度均高于0.95%的目標(biāo)值，最高達(dá)1.19%，這些是由于SE-607控制系統(tǒng)計(jì)算滲碳層深度時(shí)，沒(méi)有考慮滲碳工藝過(guò)程自定義段和升降溫度階段對(duì)滲碳層深度的影響，且滲碳時(shí)間延長(zhǎng)了4.5 h所致。

由表2、表3和表5可見(jiàn)，對(duì)目標(biāo)滲碳層深度5.0 mm的滲碳過(guò)程，滲碳溫度由930 ℃提高到970 ℃，滲碳時(shí)間縮短約32%，即27 h。

因試驗(yàn)中只用了紅外分析儀測(cè)控碳勢(shì)，從而影響了碳勢(shì)檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。

3 生產(chǎn)驗(yàn)證

通過(guò)恢復(fù)采用氧探頭和紅外分析儀2套碳勢(shì)檢測(cè)系統(tǒng)并嚴(yán)格規(guī)范定碳操作，保證碳勢(shì)檢測(cè)和控制的精度達(dá)到±0.05%。通過(guò)修正STANGE SE-607控制系統(tǒng)的參數(shù)，把滲碳層深度實(shí)際值和目標(biāo)值的偏差控制在±10%以內(nèi)，完全滿足軸承套圈各項(xiàng)滲碳技術(shù)要求。

自2007年10月起，我公司的大型軸承套圈全部采用高溫滲碳工藝，共生產(chǎn)300多爐次，經(jīng)檢測(cè)產(chǎn)品全部合格，滲碳時(shí)間平均縮短30%以上，各種費(fèi)用減少約30%，生產(chǎn)率提高30%，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

(1)TLON RQD-160/200TL大型井式滲碳爐可以滿足970 ℃的高溫滲碳工藝要求。

(2)將試樣滲碳溫度由930 ℃提高到970 ℃，二次淬火處理后，各項(xiàng)性能均可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，縮短滲碳時(shí)間約32%。