20CrMnMo稀土滲碳研究.pdf

1、1第一章緒論第一章緒論1.1研究背景研究背景許多機械零件比如汽車、拖拉機的齒輪，內燃機的凸輪、活塞銷等都是在沖擊力作用下和表面受到強烈摩擦、磨損條件下工作的，因此要求零件表面有較高的硬度和耐磨性，心部有足夠的強度和良好的韌性。低碳鋼具有優(yōu)良的塑性和韌性，加熱淬火后其硬度較低，耐磨性能差。高碳鋼由于含碳量較高，淬火后雖然具有較高的硬度和良好的耐磨性能，但其脆性較大，沖擊韌性低。這兩類材料都不能滿足上述零件的力學性能要求。如果對零件進行滲碳

2、處理，結果零件表層含碳量提高，心部含碳量不變。滲碳后將零件進行淬火冷卻和低溫回火，心部獲得較高的強度、良好的沖擊韌性，滲碳表面的硬度高、耐磨性好，從而能夠滿足零件服役條件要求。鋼的滲碳就是將工件在滲碳介質中加熱并保溫，使碳原子滲入工件的表層的化學熱處理工藝[1]。工件經滲碳處理后工件表層的含碳量提高并在其中形成一定的碳濃度梯度，經淬火和低溫回火后提高零件表面硬度、耐磨性、接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度，而心部仍保持良好的塑性和韌性。零件經滲

3、碳處理后，表層的含碳量提高，一般控制在0.8％～1.1％之間，尤其在0.85％～1.05％之間最好[2]。表層的含碳量低，則耐磨性不好而且疲勞強度也較低；表層的含碳量過高，則滲碳層變脆，容易出現(xiàn)壓碎剝落。零件滲碳層的深度取決于零件尺寸和工作條件，一般控制在0.5～2mm之間，深度波動范圍不應大于0.5mm[3]。零件經滲碳、淬火和回火后，表層組織是高碳回火馬氏體、碳化物和少量的殘余奧氏體；心部組織取決于鋼的淬透性，在完全淬透情況下，心部

4、組織是低碳回火馬氏體組織，因此表面硬度高、耐磨性好、接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度高，心部仍保持良好的沖擊韌性和塑性。這種良好的強度和韌性的配合使?jié)B碳工藝在機械制造中應用較為廣泛[5]。滲碳作為一種強化零件性能的熱處理工藝，經過長期實踐和工藝不斷改進，滲碳過程已經實現(xiàn)了碳勢調節(jié)和計算機控制。從滲碳工藝整體水平來看，滲碳溫度高、滲碳速度慢、能耗大的工藝狀況沒有根本改變。碳化物的形態(tài)和數(shù)量難以控制，碳化物、馬氏體、殘余奧氏體級別偏高，不易獲得優(yōu)

5、良的滲碳層組織[4～7]。由于滲碳溫度高，零件淬火冷卻后變形大，降低了零件的尺寸精度與形位精度。滲碳表面由于形成黑色組織、非馬氏體組織以及外表層殘余奧氏體過多，致使?jié)B碳表層硬度偏低，在硬度分布曲線上表層硬度出現(xiàn)降低現(xiàn)象，引起耐磨性大幅降低，零件的接觸疲勞強度不高，零件表面出現(xiàn)麻點剝落，造成零件疲勞破壞[8]。因此，改造現(xiàn)有的落后工藝，發(fā)展新的滲碳處理技術，改善滲層組織，提高零件的滲碳質量是滲碳工藝發(fā)展的方向。我國擁有豐富的稀土資源，開展

6、稀土在熱處理領域的應用研究，對于提高我國的整體熱處理技術水平具有重要意義。具有特殊的4f電子結構的稀土元3相變擴散，從溶解度較低的固溶體變成溶解度較高的固溶體；c.低碳合金鋼滲碳時，當碳濃度一旦超過滲碳溫度下的碳在γFe中飽和溶解度最大值，在滲碳層中經過形核和長大形成合金滲碳化合物。③混合擴散活性碳原子的擴散既有純擴散又有反應擴散，純擴散和反應擴散同時存在。氣體滲碳過程中活性碳原子在鋼中的擴散一般屬于混合擴散。1.3稀土滲碳的研究現(xiàn)狀稀

7、土滲碳的研究現(xiàn)狀上世紀80年代初我國學者首先將稀土引進化學熱處理領域，隨后關于稀土在化學熱處理中的應用研究廣泛開展，現(xiàn)已取得大量研究成果，如：稀土滲碳、稀土滲氮、稀土碳氮共滲、稀土氣體氮碳共滲、硫碳氮稀土共滲以及硼稀土共滲等技術[23~25]。這些研究成果在生產中得到推廣應用，產品質量明顯改善。哈爾濱工業(yè)大學的材料學專家經過多年潛心研究，發(fā)明了“稀土共滲技術”。與傳統(tǒng)工藝相比，稀土共滲技術具有滲碳溫度低、滲碳速度快、生產周期短、能耗低、

8、工件變形小的特點。對于機械工程材料的表面改性處理具有里程碑意義[26]。稀土元素化學活性強、電子結構特殊，在滲碳的過程中由工件的表面擴散到工件的內部，在工件表面層中形成了一定的濃度梯度。與傳統(tǒng)工藝滲碳工藝相比，在相同的工藝條件下，稀土元素能促進滲劑的分解，增大滲碳速度，縮短滲碳周期。鐵原子半徑比稀土小，由于稀土原子滲入鋼中造成鐵原子點陣發(fā)生畸變，碳原子在畸變區(qū)聚集，畸變區(qū)的碳濃度不斷升高，當碳濃度達到形核要求時，碳化物在此處形核、長大，

9、形成顆粒狀的碳化物，使?jié)B碳層組織得到細化，有助于改善滲碳層性能[27]。劉志儒等人研究了20、20CrMnTi、20Cr2Ni4A鋼等稀土滲碳工藝。研究結果表明[28~30]：滲碳溫度對稀土的催滲作用有一定的影響，滲碳溫度高時稀土的催滲作用不十分明顯。在860～880℃進行稀土滲碳，在滲碳層中形成彌散分布的細小顆粒狀碳化物，在降溫冷卻的過程中細小顆粒狀碳化物限制馬氏體長大，從而使過共析區(qū)的馬氏體變得細小，有利于提高基體組織的強度和韌性，

10、使?jié)B碳層組織和性能得到明顯改善。利用透射電子顯微鏡觀察滲碳層組織[31～32]，可以看到在細小的顆粒狀碳化物周圍形成位錯型馬氏體，在其余部位形成細小片狀孿晶型馬氏體；按照傳統(tǒng)工藝滲碳則形成凸透鏡狀孿晶型或粗大片狀的高碳馬氏體，兩種滲碳工藝形成的馬氏體形態(tài)截然不同。由于稀土滲碳組織中的碳化物周圍形成板條狀馬氏體，可明顯減小由于碳化物的脆性而對零件性能的負面影響，從而使稀土滲碳后的滲碳層具有優(yōu)良的耐磨性和較高的彎曲疲勞和接觸疲勞強度[33～