一、前言

CrWMn鋼制滾絲模采用碳氮共滲再進行螺紋滲硼的復(fù)合滲強化工藝后。滾絲模表面共滲層深度達0.3mm，共滲層表面硬度高于碳氮共滲強化表面硬度，取代了氰化鹽浴滲碳工藝，保護了環(huán)境。新工藝已應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，滾絲模平均使用壽命達到了120萬件，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

CrWMn鋼制滾絲模(滾絲M8～M45mm)，采用氰化鹽浴滲碳工藝經(jīng)680℃預(yù)熱、820℃淬火、200℃回火，清洗處理后表面硬度為48～52HRC。在使用過程中經(jīng)常發(fā)生早期失效，形式有：牙紋剝落、崩刃、堆牙、牙紋過早磨損、牙型剝落等。滾絲模平均使用壽命不到20萬件，主要原因是滾絲模在鹽浴加熱處理過程中，滲碳溫度高，淬火后零件發(fā)生表面脫碳、過熱和腐蝕，嚴(yán)重降低了表面硬度、強度、耐磨性、抗疲勞等性能。另外“三廢”污染嚴(yán)重，耗電大。經(jīng)反復(fù)探討試驗，采用碳氮共滲再進行螺紋滲硼的復(fù)合滲強化工藝，表面共滲層達0.3mm，硬度為1600～1800HV0.1，基體硬度為58～60HRC，滾絲模早期失效極少，達到了平均使用壽命120萬件的要求。

二、試驗材料及試驗方法

試驗材料：CrWMn鋼。

試驗方法：氣體碳氮共滲在RJJ-6-9T井式滲碳爐中進行，采用微機自動控溫，試驗溫度為720、740、760、780、800、820℃。滲劑為氨氣+甲醇+煤油。將自行研制的催滲劑裝入不銹鋼容器內(nèi)，與試樣一同放入爐中。試樣加工成Φ20mm×100mm試棒。采用HBRVU-187.5布洛維光學(xué)硬度計和HX-3型顯微硬度計測量表面顯微硬度，用金相法測量滲層厚度。

試驗過程

1、滲劑的選擇

對滲劑的選擇應(yīng)具有熱分解溫度不太高，原料供應(yīng)充足和價格低廉等條件，為此對煤油、甲醇、乙醇、甲酰氨、丙酮、苯胺及氨氣等有機化合物進行了試驗，發(fā)現(xiàn)用煤油作滲碳劑，爐內(nèi)碳黑較多，爐氣碳勢偏低。硬度不能滿足要求。用甲醇作載氣，苯胺作富化氣，爐內(nèi)碳黑較少，但硬度過高。用甲醇作載氣，煤油作富化氣，爐內(nèi)碳黑則更少，可進行氣氛的碳勢控制，試棒硬度在58～62HRC。

故選擇甲醇作載氣，煤油和氨氣作滲劑進行碳氮共滲處理，碳勢用CO2紅外儀器控制。

2、稀土催滲劑的配制

在滲碳劑中加入自行研制的液態(tài)稀土催滲劑可使?jié)B速提高30％～50％。稀土氯化物(RECl3)可直接向有關(guān)化工廠購買。根據(jù)需要將稀土氯化物按不同比例溶于甲醇或乙醇中，得到稀土催滲劑，即可直接滴入井式滲碳爐中進行催滲處理。經(jīng)查閱相關(guān)文獻和反復(fù)試驗論證，得到稀土碳氮催滲劑的最佳質(zhì)量(g)比為甲醇：甲酰胺：尿素：稀土=1 000：(160±30)：(130±10)：(7±3)。稀土催滲劑的用量根據(jù)工件裝載量和表面積大小等因素進行調(diào)整。

三、工藝參數(shù)的確定

1、共滲溫度

碳氮共滲含氮量隨著溫度提高而降低，滲層厚度又隨著溫度提高而提高，要保持一定的含氮量和一定的滲層厚度，結(jié)合滾絲模要求滲層不厚和變形小，考慮溫度選在720、740、。760、780、800、820℃6種。試驗結(jié)果如圖2所示，隨著溫度的提高，共滲層厚度呈上升趨勢，考慮工藝操作及組織、硬度和技術(shù)指標(biāo)質(zhì)量的穩(wěn)定性，最后選用800℃為共滲溫度。

2、共滲時間

圖3為采用800℃共滲溫度，滲層厚度隨時間變化曲線。滲層厚度隨時間延長呈上升趨勢。共滲90min的滲層厚度達0.2mm以上，共滲180rain滲層厚度達0.4mm，根據(jù)滾絲模滲層厚度要求大于0.25mm。故選用150min共滲時間。

圖3還顯示，當(dāng)時間超過180min后，催滲劑對滲層厚度的影響明顯下降，共滲180rain的試樣與共滲240min的試樣滲層厚度相差很小。原因是在共滲初期，試樣表面還沒有形成一定厚度的滲層，共滲過程的控制因子主要是產(chǎn)生活性原子的界面反應(yīng)和吸收活性原子的過程，因此催滲的效果明顯；共滲180min后，試樣表面已基本被碳、氮原子所飽和，因而吸收活性原子的速度減慢，催滲效果不及初期明顯。

 三、工藝操作過程

氣體碳氮共滲工藝的質(zhì)量控制，實際上是控制共滲工藝過程的碳氮勢，可用CO2紅外儀控制。操作過程包括開爐前的準(zhǔn)備，零件裝爐及裝爐后的排氣，共滲處理及零件出爐后淬火、回火等階段，保證工藝穩(wěn)定，共滲件質(zhì)量得到保證。綜合工藝試驗，并經(jīng)過反復(fù)驗證，得出圖4滾絲模復(fù)合滲強化工藝。

將經(jīng)碳氮共滲的滾絲模螺紋表面粗糙度研磨至Ra0.8µm，清理干凈后，涂以膏體滲硼劑(膏體滲硼劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：Na2B4O725％+KBF410％+稀土氯化物5％+石墨60％)。自然干燥后，密封裝入滲箱，進行840℃×3h滲硼，保溫后開滲箱直接對滾絲模螺紋噴10％NaCl水溶液冷卻，淬火冷至200℃后油冷，立即轉(zhuǎn)入240℃硝鹽槽內(nèi)回火2h。

1、準(zhǔn)備工作

開爐前必須檢查滲劑管路系統(tǒng)是否暢通，爐罐及排氣管清理干凈，檢查清理完畢后將爐溫升到共滲溫度。

2、裝爐密封

裝爐量應(yīng)按照裝爐工件的總面積來衡量。表面積越大，需補充更多的滲劑，才能保持較穩(wěn)定的碳氮勢和滲勢，60kW井式爐裝爐工件表面積6～9mzo按照工藝規(guī)范將擺放整齊的工件裝入爐內(nèi)．密封爐蓋后升溫。氣體滲碳爐風(fēng)扇軸加雙密封環(huán)．爐蓋采用雙層密封刀槽。

3、排氣

采用大劑量排氣可縮短排氣時間。在爐溫回升過程中溫度較低，而氨分解的溫度較低(600℃裂解率達99％以上)，排氣效果較好，但通入大量氨，特別是未充分干燥時，因露點升高使氧化加劇，在爐溫回升過程中，采取先通氨(封爐后就開始通氨)后滴入甲醇、煤油排氣。爐溫恢復(fù)正常后，延長30 min左右使工件燒透，并使?fàn)t氣恢復(fù)正常。爐子到溫后．取氣樣分析，使CO2控制在0.3％以下，碳勢在1％以上，此后進入正常共滲階段。排氣階段及時點燃廢氣火苗。

4、共滲處理

進入正常共滲階段后，將甲醇、煤油滴量調(diào)整到正常加入量。關(guān)小排氣閥，使?fàn)t壓控制在20～40Pa，廢氣火苗呈杏黃色，高度120～150mm。

5、淬火及回火

共滲處理結(jié)束后，切斷電源，出爐淬火。

四、試驗結(jié)論及分析

1、金相組織

共滲層的金相組織為：細(xì)針狀馬氏體+少量殘留奧氏體，粗大的碳化物變細(xì)小，重新分布趨于均勻，使晶粒細(xì)化。碳化物顆粒平均尺寸為0.1µm，晶粒細(xì)化達到10級。

在操作過程中，如果出現(xiàn)排氣不完全，共滲劑滴量不穩(wěn)定，爐溫偏低等熱處理工藝失常現(xiàn)象，在共滲層的金相組織中就顯示出下列缺陷：表面產(chǎn)生大塊狀碳氮化合物或網(wǎng)狀屈氏體．出現(xiàn)這種組織對零件的硬度及耐磨性都是不利的，必須嚴(yán)格執(zhí)行熱處理工藝。

2、滲層硬度測定

經(jīng)HX3型顯微硬度計測定的滲層顯微硬度分布情況由圖5可見，表面硬度1600～1 800Hv0.1，在200pm內(nèi)維持較高的硬度值，隨后硬度值降低，平緩地過渡到心部。經(jīng)布洛維光學(xué)硬度計測量，基體硬度為58～60HRC。

3、采用稀土催滲劑對滾絲模復(fù)合滲強化工藝過程的影響

工件有效滲層厚度提高到0.3mm以上，高于普通碳氮共滲的0.20～0.25mm，有效滲層硬度值提高到1600～1800HV0.1,山高于普通碳氮共滲的600～800HV0.1山工件獲得了更高的表面硬度和耐磨性。取代了氰化鹽浴滲碳工藝，消除了“三廢”環(huán)境污染，保護了環(huán)境，新工藝已應(yīng)用于生產(chǎn)，滾絲模平均使用壽命達到了120萬件，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。