加速化學(xué)熱處理的途徑

化學(xué)熱處理是一個(gè)消耗能源較多的工藝,加速化學(xué)熱處理過程,對(duì)提高生產(chǎn)率、降低能耗和生產(chǎn)成本具有重要意義。因此,針對(duì)提高化學(xué)熱處理速度這一課題,國(guó)內(nèi)外技術(shù)工作者進(jìn)行了大量研究和開發(fā)T.作,取得了許多具有實(shí)用價(jià)值的成果。加速化學(xué)熱處理的途徑可歸納為開發(fā)新材料、改變工藝過程及采用催滲技術(shù)三個(gè)方面。

1.開發(fā)新材料

通過對(duì)化學(xué)熱處理中有利于滲入元素原子擴(kuò)散過程的新材料的開發(fā),以加速化學(xué)熱處理過程,是一條有效的途徑。

由于鋼中加入鈦可提高Fe-N系中的共析轉(zhuǎn)變溫度,以使?jié)B氮過程可以在較高的溫度下進(jìn)行,提高氮在α -Fe中的擴(kuò)散系數(shù)。含鈦滲氮鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.2%C、2%Cr、2%Ti。此鋼在550~650℃進(jìn)行4~9h 的氣體滲氮,可獲得0.4~0.8mm的滲層,表面硬度高達(dá)1000~1200HV。

由于稀土元素具有原子半徑大、電負(fù)性低等獨(dú)特性質(zhì),近些年來,在加速化學(xué)熱處理過程中,常遇到稀土元素。在35CrMo鋼中加入0.05%~0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的稀土元素制成的稀土鋼用于離子滲氮處理,其滲速比未加稀土者提高了50%左右,表面硬度約提高10OHV。

其他快速滲氮鋼種有25CrMoV、30Cr3NiVNbAl、25CrNi-MoVZrAl等,這些鋼可提高滲氮速度30%左右。

快速滲碳鋼成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.27%C、0.6%Mn、0.6%Cr、0.15%~0.25%Mo,可縮短滲碳時(shí)間20%左右。

2.改變工藝過程

在鋼的化學(xué)熱處理生產(chǎn)中,采用分段控制法來加速過程的進(jìn)行。例如氣體滲碳和氣體滲氮工藝中的兩段法或三段法。首段以提高濃度梯度為主要目的,第二段以加快擴(kuò)散為主要目的。滲氮時(shí),還要有退氮階段,以降低表面氮濃度,達(dá)到降低滲層脆性的目的。

采用碳氮共滲、碳氨硼共滲、硫氮碳共滲等多元共滲工藝會(huì)引起鋼的結(jié)構(gòu)變化,改變滲入元素在鋼中的吸收和擴(kuò)散機(jī)制及速度,從而促進(jìn)整個(gè)過程的加速。

近些年來,一些企業(yè)采用預(yù)氧化法來加快滲速和改善滲層質(zhì)量。例如在氣體滲氮、真空脈沖滲氮、氣體氮碳共滲、氣體滲碳、氣體碳氮共滲時(shí),當(dāng)爐溫升至400~500℃時(shí)恒溫一段時(shí)間,向爐內(nèi)通人氧氣或空氣,有意使工件表面氧化,形成Fe;O4膜,這種性質(zhì)的氧化膜對(duì)滲氮、滲碳有較強(qiáng)的催滲作用,同時(shí)使?jié)B層均勻性和濃度梯度也得到了明顯的改善。

3.采用催滲技術(shù)

物理催滲技術(shù)包括以下幾個(gè)方面。

( 1 )等離子場(chǎng)技術(shù)。是利用等離子體高速轟擊工件表面而加速化學(xué)熱處理過程的方法,如離子滲氮、離子氮碳共滲、離子滲碳、離子碳氮共滲、離子滲硼、離子滲硫、離子滲金屬、離子多元共滲等,這些方法效果比較明顯,例如離子滲氮比氣體滲氨速度可提高50%左右。

( 2)電解法催滲技術(shù)。目前用于生產(chǎn)的有電解滲碳、低溫電解滲硫,低溫電解滲硼、電解滲金屬等。如電解滲硫可在180~190℃的低溫下進(jìn)行,比普通鹽浴滲硫周期縮短。

( 3)真空化學(xué)熱處理技術(shù)。在真空(低真空)條件下進(jìn)行化學(xué)熱處理,可使工件表面非常潔凈,滲速加快,工件畸變小。如真空滲碳可在1030~1050℃的高溫下進(jìn)行,滲碳時(shí)間縮短到普通氣體滲碳的1/5左右,且滲層質(zhì)量高。

( 4)流態(tài)床技術(shù)。在沸騰的流態(tài)床中進(jìn)行化學(xué)熱處理、可明顯地加快滲擴(kuò)速度。如2OCrMnTi鋼在950℃的流態(tài)床中滲碳2h,可獲得1~2mm厚的滲碳層,比普通氣體滲碳 3~5倍。

( 5)機(jī)械能助滲技術(shù)。機(jī)械能助滲是運(yùn)用運(yùn)動(dòng)的粉末粒子沖擊被加熱的工件表面,將機(jī)械能巧妙地與熱能相結(jié)合、大幅度降低了擴(kuò)滲溫度,增加了擴(kuò)滲速度,在500~600℃鐵素體狀態(tài)下,就可實(shí)現(xiàn)滲鋁、滲硅、滲銅、滲錳及鋁鋅共滲,稱為機(jī)械能助滲。鋼的機(jī)械能助滲鋁,將滲鋁溫度由900~1050℃奧氏體狀態(tài)降低到400~600℃鐵素體狀態(tài)。20鋼經(jīng)440℃x 4h的處理,可得到10~15 um的滲鋁層,580℃ x 4h可得到90~100 um的滲鋁層。又如助滲硅,將滲硅溫度由950~1050℃奧氏體狀態(tài)降低到480~540℃鐵素體狀態(tài),20鋼520℃x 4h處理可獲得60~70 um滲硅層。

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