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(jī)械零件比如汽車、拖拉機(jī)的齒輪，內(nèi)燃機(jī)的凸輪、活塞銷等都是在沖擊力作用下和表面受到強(qiáng)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(qiáng)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(xué)性能要求。如果對零件進(jìn)行滲碳

2、處理，結(jié)果零件表層含碳量提高，心部含碳量不變。滲碳后將零件進(jìn)行淬火冷卻和低溫回火，心部獲得較高的強(qiáng)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(zhì)中加熱并保溫，使碳原子滲入工件的表層的化學(xué)熱處理工藝[1]。工件經(jīng)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(jīng)淬火和低溫回火后提高零件表面硬度、耐磨性、接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度，而心部仍保持良好的塑性和韌性。零件經(jīng)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(qiáng)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(dòng)范圍不應(yīng)大于0.5mm[3]。零件經(jīng)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(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度高，心部仍保持良好的沖擊韌性和塑性。這種良好的強(qiáng)度和韌性的配合使?jié)B碳工藝在機(jī)械制造中應(yīng)用較為廣泛[5]。滲碳作為一種強(qiáng)化零件性能的熱處理工藝，經(jīng)過長期實(shí)踐和工藝不斷改進(jìn)，滲碳過程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了碳勢調(diào)節(jié)和計(jì)算機(jī)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(qiáng)度不高，零件表面出現(xiàn)麻點(diǎn)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(shù)，改善滲層組織，提高零件的滲碳質(zhì)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(lǐng)域的應(yīng)用研究，對于提高我國的整體熱處理技術(shù)水平具有重要意義。具有特殊的4f電子結(jié)構(gòu)的稀土元3相變擴(kuò)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(shí)，當(dāng)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(jīng)過形核和長大形成合金滲碳化合物。③混合擴(kuò)散活性碳原子的擴(kuò)散既有純擴(kuò)散又有反應(yīng)擴(kuò)散，純擴(kuò)散和反應(yīng)擴(kuò)散同時(shí)存在。氣體滲碳過程中活性碳原子在鋼中的擴(kuò)散一般屬于混合擴(kuò)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(jì)80年代初我國學(xué)者首先將稀土引進(jìn)化學(xué)熱處理領(lǐng)域，隨后關(guān)于稀土在化學(xué)熱處理中的應(yīng)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(shù)[23~25]。這些研究成果在生產(chǎn)中得到推廣應(yīng)用，產(chǎn)品質(zhì)量明顯改善。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的材料學(xué)專家經(jīng)過多年潛心研究，發(fā)明了“稀土共滲技術(shù)”。與傳統(tǒng)工藝相比，稀土共滲技術(shù)具有滲碳溫度低、滲碳速度快、生產(chǎn)周期短、能耗低、

8、工件變形小的特點(diǎn)。對于機(jī)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(xué)活性強(qiáng)、電子結(jié)構(gòu)特殊，在滲碳的過程中由工件的表面擴(kuò)散到工件的內(nèi)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(jìn)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(diǎn)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(dāng)碳濃度達(dá)到形核要求時(shí)，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(xì)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(jié)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(shí)稀土的催滲作用不十分明顯。在860～880℃進(jìn)行稀土滲碳，在滲碳層中形成彌散分布的細(xì)小顆粒狀碳化物，在降溫冷卻的過程中細(xì)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(xì)小，有利于提高基體組織的強(qiáng)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(xì)小的顆粒狀碳化物周圍形成位錯(cuò)型馬氏體，在其余部位形成細(xì)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(fù)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(qiáng)度[33～