真空渗碳的应用案例【案例分析】
渗碳指使碳原子渗入到钢表面层的工艺过程。经过渗碳处理后使低碳钢的零件具有高碳钢的表层，渗碳零件经过淬火、回火，得到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲劳强度﹐并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性和塑性﹐使工件能承受高强度和频次的交变载荷。
渗碳包含3个基本过程：分解→吸附→扩散。按渗碳方式的不同﹐可分为气氛渗碳、固体渗碳﹑液体渗碳﹑和真空渗碳等。
传统气氛渗碳目前应用最为广泛，固体渗碳和液体渗碳受生产效率，劳作条件，环保要求等诸多因素制约在逐步被替代。作为一种目前被大量应用的渗碳方式，传统气氛渗碳在提高普通材质零件性能方面具有不可忽视的作用，但在实际生产过程也暴露出许多问题，如工件内氧化、尾气排放较大、渗碳周期较长、工件易氧化和脱碳、高合金及不锈钢等无法渗碳等。
和传统气氛渗碳方式相比，真空渗碳降低了处理成本，消除了环境污染，能获得优良的工件表面状态和渗碳层均匀性，真空渗碳还具有淬火变形小、渗碳效率高和避免晶界氧化的优点。真空渗碳炉具有真空淬火炉所有设备优点，在工艺方面既可以真空渗碳+淬火，还能够进行工模具淬火、退火、固溶，以及某些零件的钎焊处理，基于一台设备即实现了热处理工艺的多样化生产。同时真空渗碳炉在还可以实现高合金钢和不锈钢渗碳，提高劳动条件和产品品质等方面也具有无可比拟的优势。
我们研究了20CrMnMo材质的大直径重载齿轮的真空渗碳工艺数据及特点，并应用于实际生产，取得了良好的效果。该齿轮已正常装机运行数年，目前运行状况良好。
一、低压真空渗碳淬火零件和技术要求
材料：20CrMnMo
图1.大型重载齿轮实物及试样
表1.齿轮参数及真空渗碳淬火工艺要求
二、真空渗碳工艺方案及生产设备
生产设备为郑州飞虹热处理设备制造有限公司生产的FZSC2-300型双室真空渗碳油淬炉，有效工作区为1500*1500*800（mm）。
工艺方案如下表2：
三、真空渗碳淬火模拟及实验结果
图3不同渗层真空渗碳工艺碳浓度三维模拟结果
工艺1
工艺2
工艺3
不同真空渗碳淬火工艺后平面处碳化物金相组织
工艺1(75+900min)
工艺2(75+1200min)
工艺3(75+1500min)
不同真空渗碳淬火工艺后尖角处碳化物金相组织
工艺1(75+900min)
工艺2(75+1200min)
工艺3(75+1500min)
表3.齿轮低压真空渗碳淬火工艺1、2和3试验结果
图4.齿轮低压真空渗碳淬火工艺1、2和3试验结果
表4：20CrMnMo钢低压真空渗碳模拟结果与实际值对比
编号 | 工艺1 | 工艺2 | 工艺3 | 工艺4 |
表层碳浓度实际值/wt% | 1.24 | 1.10 | 0.95 | 0.86 |
表层碳浓度模拟值/wt% | 1.20 | 1.05 | 0.93 | 0.83 |
渗层深度实际值/mm | 3.5 | 3.9 | 4.2 | 4.4 |
渗层深度模拟值/mm | 3.2 | 3.7 | 4.0 | 4.2 |
四、深层真空渗碳实验流程及结果分析
图5.低压真空渗碳淬火工艺流程图
过程说明：
1、650℃预热一次：使齿轮受热均匀，减小工件内部热应力；
2、 渗碳结束后1barN2压力下进行气冷正火：由于大齿轮工件长时间渗碳晶粒长大趋势明显，消除渗碳层中可能存在的网状碳化物；
3、680℃对齿轮进行高温回火：使渗层析出含Cr的碳化物，进一步消除渗碳层网状碳化物，使碳化物球化和消除应力。
4、试验中共放置齿形随炉试样4个，均匀悬挂于齿顶圆圆周上，渗碳淬火结束后对4个随炉试样进行分析。
图6 .齿轮深层真空渗碳淬火后实物与金相组织
图7.2齿轮深层真空渗碳淬火后显微硬度分布
五、结果分析
文章来源：郑州飞虹热处理设备制造有限公司
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