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CrWMn钢制滚丝模热处理工艺改进

日期：2016-07-11 15:22:08

 一、前言

CrWMn钢制滚丝模采用碳氮共渗再进行螺纹渗硼的复合渗强化工艺后。滚丝模表面共渗层深度达0.3mm，共渗层表面硬度高于碳氮共渗强化表面硬度，取代了氰化盐浴渗碳工艺，保护了环境。新工艺已应用于工业生产，滚丝模平均使用寿命达到了120万件，取得了较好的经济效益和社会效益。

CrWMn钢制滚丝模(滚丝M8～M45mm)，采用氰化盐浴渗碳工艺经680℃预热、820℃淬火、200℃回火，清洗处理后表面硬度为48～52HRC。在使用过程中经常发生早期失效，形式有：牙纹剥落、崩刃、堆牙、牙纹过早磨损、牙型剥落等。滚丝模平均使用寿命不到20万件，主要原因是滚丝模在盐浴加热处理过程中，渗碳温度高，淬火后零件发生表面脱碳、过热和腐蚀，严重降低了表面硬度、强度、耐磨性、抗疲劳等性能。另外“三废”污染严重，耗电大。经反复探讨试验，采用碳氮共渗再进行螺纹渗硼的复合渗强化工艺，表面共渗层达0.3mm，硬度为1600～1800HV0.1，基体硬度为58～60HRC，滚丝模早期失效极少，达到了平均使用寿命120万件的要求。

二、试验材料及试验方法

试验材料：CrWMn钢。

试验方法：气体碳氮共渗在RJJ-6-9T井式渗碳炉中进行，采用微机自动控温，试验温度为720、740、760、780、800、820℃。渗剂为氨气+甲醇+煤油。将自行研制的催渗剂装入不锈钢容器内，与试样一同放入炉中。试样加工成Φ20mm×100mm试棒。采用HBRVU-187.5布洛维光学硬度计和HX-3型显微硬度计测量表面显微硬度，用金相法测量渗层厚度。

试验过程

1、渗剂的选择

对渗剂的选择应具有热分解温度不太高，原料供应充足和价格低廉等条件，为此对煤油、甲醇、乙醇、甲酰氨、丙酮、苯胺及氨气等有机化合物进行了试验，发现用煤油作渗碳剂，炉内碳黑较多，炉气碳势偏低。硬度不能满足要求。用甲醇作载气，苯胺作富化气，炉内碳黑较少，但硬度过高。用甲醇作载气，煤油作富化气，炉内碳黑则更少，可进行气氛的碳势控制，试棒硬度在58～62HRC。

故选择甲醇作载气，煤油和氨气作渗剂进行碳氮共渗处理，碳势用CO2红外仪器控制。

2、稀土催渗剂的配制

在渗碳剂中加入自行研制的液态稀土催渗剂可使渗速提高30％～50％。稀土氯化物(RECl3)可直接向有关化工厂购买。根据需要将稀土氯化物按不同比例溶于甲醇或乙醇中，得到稀土催渗剂，即可直接滴入井式渗碳炉中进行催渗处理。经查阅相关文献和反复试验论证，得到稀土碳氮催渗剂的最佳质量(g)比为甲醇：甲酰胺：尿素：稀土=1 000：(160±30)：(130±10)：(7±3)。稀土催渗剂的用量根据工件装载量和表面积大小等因素进行调整。

三、工艺参数的确定

1、共渗温度

碳氮共渗含氮量随着温度提高而降低，渗层厚度又随着温度提高而提高，要保持一定的含氮量和一定的渗层厚度，结合滚丝模要求渗层不厚和变形小，考虑温度选在720、740、。760、780、800、820℃6种。试验结果如图2所示，随着温度的提高，共渗层厚度呈上升趋势，考虑工艺操作及组织、硬度和技术指标质量的稳定性，最后选用800℃为共渗温度。

2、共渗时间

 

图3为采用800℃共渗温度，渗层厚度随时间变化曲线。渗层厚度随时间延长呈上升趋势。共渗90min的渗层厚度达0.2mm以上，共渗180rain渗层厚度达0.4mm，根据滚丝模渗层厚度要求大于0.25mm。故选用150min共渗时间。

图3还显示，当时间超过180min后，催渗剂对渗层厚度的影响明显下降，共渗180rain的试样与共渗240min的试样渗层厚度相差很小。原因是在共渗初期，试样表面还没有形成一定厚度的渗层，共渗过程的控制因子主要是产生活性原子的界面反应和吸收活性原子的过程，因此催渗的效果明显；共渗180min后，试样表面已基本被碳、氮原子所饱和，因而吸收活性原子的速度减慢，催渗效果不及初期明显。

 三、工艺操作过程


 

气体碳氮共渗工艺的质量控制，实际上是控制共渗工艺过程的碳氮势，可用CO2红外仪控制。操作过程包括开炉前的准备，零件装炉及装炉后的排气，共渗处理及零件出炉后淬火、回火等阶段，保证工艺稳定，共渗件质量得到保证。综合工艺试验，并经过反复验证，得出图4滚丝模复合渗强化工艺。

将经碳氮共渗的滚丝模螺纹表面粗糙度研磨至Ra0.8µm，清理干净后，涂以膏体渗硼剂(膏体渗硼剂质量分数为：Na2B4O725％+KBF410％+稀土氯化物5％+石墨60％)。自然干燥后，密封装入渗箱，进行840℃×3h渗硼，保温后开渗箱直接对滚丝模螺纹喷10％NaCl水溶液冷却，淬火冷至200℃后油冷，立即转入240℃硝盐槽内回火2h。

1、准备工作

开炉前必须检查渗剂管路系统是否畅通，炉罐及排气管清理干净，检查清理完毕后将炉温升到共渗温度。

2、装炉密封

装炉量应按照装炉工件的总面积来衡量。表面积越大，需补充更多的渗剂，才能保持较稳定的碳氮势和渗势，60kW井式炉装炉工件表面积6～9mzo按照工艺规范将摆放整齐的工件装入炉内．密封炉盖后升温。气体渗碳炉风扇轴加双密封环．炉盖采用双层密封刀槽。

3、排气

采用大剂量排气可缩短排气时间。在炉温回升过程中温度较低，而氨分解的温度较低(600℃裂解率达99％以上)，排气效果较好，但通入大量氨，特别是未充分干燥时，因露点升高使氧化加剧，在炉温回升过程中，采取先通氨(封炉后就开始通氨)后滴入甲醇、煤油排气。炉温恢复正常后，延长30 min左右使工件烧透，并使炉气恢复正常。炉子到温后．取气样分析，使CO2控制在0.3％以下，碳势在1％以上，此后进入正常共渗阶段。排气阶段及时点燃废气火苗。

4、共渗处理

进入正常共渗阶段后，将甲醇、煤油滴量调整到正常加入量。关小排气阀，使炉压控制在20～40Pa，废气火苗呈杏黄色，高度120～150mm。

5、淬火及回火

共渗处理结束后，切断电源，出炉淬火。

四、试验结论及分析

1、金相组织

共渗层的金相组织为：细针状马氏体+少量残留奥氏体，粗大的碳化物变细小，重新分布趋于均匀，使晶粒细化。碳化物颗粒平均尺寸为0.1µm，晶粒细化达到10级。

在操作过程中，如果出现排气不完全，共渗剂滴量不稳定，炉温偏低等热处理工艺失常现象，在共渗层的金相组织中就显示出下列缺陷：表面产生大块状碳氮化合物或网状屈氏体．出现这种组织对零件的硬度及耐磨性都是不利的，必须严格执行热处理工艺。

2、渗层硬度测定

经HX3型显微硬度计测定的渗层显微硬度分布情况由图5可见，表面硬度1600～1 800Hv0.1，在200pm内维持较高的硬度值，随后硬度值降低，平缓地过渡到心部。经布洛维光学硬度计测量，基体硬度为58～60HRC。

3、采用稀土催渗剂对滚丝模复合渗强化工艺过程的影响

工件有效渗层厚度提高到0.3mm以上，高于普通碳氮共渗的0.20～0.25mm，有效渗层硬度值提高到1600～1800HV0.1,山高于普通碳氮共渗的600～800HV0.1山工件获得了更高的表面硬度和耐磨性。取代了氰化盐浴渗碳工艺，消除了“三废”环境污染，保护了环境，新工艺已应用于生产，滚丝模平均使用寿命达到了120万件，取得了较好的经济效益和社会效益。

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