滲碳工藝對20CrMo鋼盲孔滲層深度的影響

蘇 陽， 史有森， 張志沖， 王 琴， 王美乾， 茅 君

(江蘇豐東熱技術有限公司， 江蘇 鹽城 224100)

為解決零件盲孔滲碳的難題，研究了不同氣氛對盲孔滲碳的影響。盲孔類零件廣泛存在于各種工業制造領域，根據使用要求，一些零件的盲孔內部需要進行滲碳處理。由于盲孔內部的氣氛循環差，使盲孔內部不容易滲碳，盲孔滲碳一直是熱處理生產中的難題。本文比較了不同工藝對20CrMo鋼盲孔滲碳的試驗結果，分析了產生滲層差異的主要原因，提供了盲孔滲碳的合適工藝，提出了真空低壓滲碳工藝是實際生產中盲孔滲碳的有效方法。

1 試驗材料和方法

1.1 試樣制備

試驗采用20CrMo鋼，其化學成分如表1所示。試樣規格采用φ20 mm×150 mm的圓柱，在其中心位置分別加工不同尺寸的盲孔，盲孔尺寸分別為φ5 mm×140 mm、φ3 mm×100 mm、φ1.5 mm×60 mm，每組3個試樣。

表1 20CrMo鋼的化學成分(質量分數，%)

1.2 熱處理工藝

對不同盲孔尺寸試樣分別進行常規氣氛滲碳處理及不同壓力(100、220 Pa)的真空滲碳處理，具體滲碳工藝曲線見圖1，滲碳淬火后分別進行160 ℃×120 min回火。

其中圖1(a)為工藝1，采用常規可控氣氛滲碳工藝，試驗設備為FBQ1000可控氣氛多用爐，有效加熱區尺寸：750 mm×750 mm×1200 mm(寬×高×長)，以甲醇為載氣，丙烷為滲碳氣，氧探頭自動測量和調節爐內碳勢，從升溫到出爐淬火處理時間約310 min。

圖1(b)為工藝2，采用真空低壓滲碳工藝，試驗設備為VCB600真空滲碳爐，有效加熱區尺寸：600 mm×600 mm×1100 mm(寬×高×長)，真空狀態升溫、均熱，氣壓 1～10 Pa，均熱后通入乙炔滲碳，乙炔流量為15 L/min，氣壓約100 Pa，滲碳后進行真空狀態下的擴散及降溫，氣壓為1～10 Pa，從升溫到出爐淬火的處理時間約300 min。圖1(c)為工藝3，同為真空低壓滲碳工藝，除乙炔流量和真空度不同外，設備及處理條件與工藝2相同。真空狀態下升溫、均熱后通入乙炔，乙炔流量為25 L/min，氣壓約為220 Pa，滲碳后進行真空狀態下的擴散及降溫，從升溫到出爐淬火的處理時間約300 min。

圖1 常規氣體滲碳(a)及真空低壓滲碳(b, c)工藝曲線(a)工藝1；(b)工藝2；(c)工藝3Fig.1 Process curves of the conventional gas carburizing(a) and vacuum low-pressure carburizing(b, c)(a) process 1; (b) process 2; (c) process 3

1.3 檢查方法

經不同工藝滲碳淬火及160 ℃×120 min回火處理后，檢查外圓表面及盲孔內壁的有效硬化層深度，比較分析不同滲碳工藝的處理效果。

按GB/T 9450—2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》的方法測定滲碳有效硬化層深度，測量儀器為MH-500D數字顯微硬度計，試驗載荷砝碼為0.5 kg，以硬度550 HV0.5處作為滲碳有效硬化層的評定基準。外圓表面的有效硬度化層檢查位置為盲孔長度的1/2處。盲孔內壁表面的有效硬化層檢查位置自盲孔端面5 mm處開始，間隔5 mm或10 mm測定各位置內壁處的顯微硬度，位置示意圖見圖2。

圖2 外圓表面及盲孔內壁有效硬化層檢查位置Fig.2 Inspection positions of effective hardened layer of outer circle surface and blind hole inner wall

2 試驗結果與分析

2.1 外圓表面滲碳有效硬化層深度

圖3是不同盲孔尺寸試樣經不同工藝滲碳處理后外圓表面的有效硬度化層深度。由圖3可知，試樣經工藝1處理后的外圓表面的有效硬化層為0.90～0.93 mm；經工藝2處理后的外圓表面的有效硬化層為0.76～0.85mm；經工藝3處理后的外圓表面的有效硬化層為0.79～0.86 mm。工藝1為多用爐常規可控氣氛滲碳，總處理時間比真空處理稍長，所以試樣處理后外圓表面處有效硬化層深度比真空低壓滲碳稍深。工藝2、3為真空低壓滲碳，處理時間相同，所以處理后的外圓表面的有效硬化層相近。工藝3乙炔流量為25 L/min，氣壓約220 Pa，工藝2乙炔流量15 L/min，氣壓約100 Pa，工藝3的乙炔流量及氣壓稍高于工藝2，所以處理的外圓表面的有效硬化層深度比工藝2稍深。

圖3 不同盲孔尺寸試樣經不同滲碳工藝處理的外圓表面有效硬化層深度Fig.3 Effective hardened depth on outer circle surface of the specimens with different sizes of blind hole carburized by different processes

2.2 盲孔內壁滲碳有效硬化層深度

圖4是不同盲孔尺寸試樣滲碳處理后盲孔內壁各點的有效硬化層深度。由圖4(a)可知，φ5 mm盲孔試樣經工藝1處理后，距端面20 mm位置的內壁表面的有效硬化層深度約0.51 mm，經工藝2處理后距端面130 mm的內壁表面的有效硬化層深度約0.59 mm，經工藝3處理后距端面130 mm的內壁表面的有效硬化層深度約0.62 mm。由圖4(b)可知，φ3 mm盲孔試樣經工藝1處理后，距端面20 mm位置的內壁表面的有效硬化層深度約0.32 mm，經工藝2處理后距端面90 mm的內壁表面的有效硬化層深度約0.54 mm，經工藝3處理后距端面90 mm的內壁表面的有效硬化層深度約0.58 mm。由圖4(c)可知，φ1.5 mm 盲孔試樣經工藝1處理后，距端面20 mm位置的內壁表面的有效硬化層深度約0.17 mm，經工藝2處理后距端面50 mm的內壁表面的有效硬化層深度約0.54 mm，經工藝3處理后距端面50 mm的內壁表面的有效硬化層深度約0.49 mm。

圖4 不同盲孔尺寸試樣經不同滲碳工藝處理的盲孔內壁各點的有效硬化層深度Fig.4 Effective hardened depth on blind hole inner wall of the specimens with different sizes of blind hole carburized by different processes(a) φ5 mm×140 mm; (b) φ3 mm×100 mm; (c) φ1.5 mm×60 mm

2.3 盲孔的有效滲碳深度

根據GB/T 34889—2017《鋼件的滲碳與碳氮共滲淬火回火》及GB/T 9450—2005，有效硬化層深度散差小于0.2 mm的均勻性要求，本試驗以盲孔內壁表面有效硬化層深度與外圓表面有效硬化層深度差小于0.2 mm的位置作為盲孔的有效滲碳深度，得到不同尺寸盲孔的有效滲碳深度，結果見表2。

表2 不同盲孔尺寸試樣經不同滲碳工藝處理的有效滲碳深度

由表2所示，經工藝1處理后，φ5 mm的盲孔試樣的有效滲碳深度約5 mm，而φ3 mm及φ1.5 mm盲孔試樣的有效滲碳深度接近于0。

經工藝2處理后，φ5mm的盲孔試樣的有效滲碳深度約110 mm，φ3mm和φ1.5mm盲孔試樣的有效滲碳深度分別約為70 mm和50 mm。經工藝3處理后，φ5 mm的盲孔試樣的有效滲碳深度約120 mm，φ3mm和φ1.5mm盲孔試樣的有效滲碳深度分別約為70 mm和35 mm。

2.4 討論

如上所述，盲孔試樣經常規氣氛滲碳處理后，其內壁表面的有效滲碳深度很淺，對于盲孔尺寸特別小的試樣，其內壁的有效滲碳深度接近于零。而盲孔試樣經真空低壓滲碳處理后，其內壁表面的有效滲碳深度顯著深于常規氣氛滲碳，φ5 mm盲孔試樣處理后內壁表面的有效滲碳深度能達到110～120 mm, 盲孔尺寸特別小的試樣φ1.5 mm也可達到35～50 mm。真空低壓滲碳對于盲孔內表面的滲碳能力遠高于常規氣氛滲碳的原因主要是由于兩種滲碳方式的機理或氣氛狀態不同。

常規氣氛滲碳是在稍高于1大氣壓的微正壓狀態下進行，氣體分子密集，各氣體分子之間的平均自由程小，氣體流動狀態呈粘性流。滲碳時的界面反應主要是2COC+CO2，試樣表面附近的CO流入及CO2排出的氣體流動狀態是粘性流，氣氛滲碳爐使用循環風扇的攪拌使氣氛流動，以保證產品不同部位滲碳均勻。正常情況下氣氛在產品表面能充分流動，表面滲層深度和真空低壓滲碳無顯著差異。對于盲孔的情況，在氣體流動狀態是粘性流的狀態下，氣體分子流動不暢，盲孔內部產生的CO2分子不能及時排出，阻礙了外部滲碳氣體CO分子的進入，引起了盲孔內部滲層很淺的現象。

在真空狀態下，氣體分子稀薄，各氣體分子之間的平均自由程大，在高真空的狀態下，氣體流動狀態呈分子流。在一般真空的狀態下，氣體流動狀態呈粘性與分子流之間的中間流或過渡流狀態，其具體狀態主要與真空度、溫度等因素有關。真空低壓滲碳時的界面反應主要是C2H22C+H2，在氣壓為100～200 Pa時，試樣表面附近的C2H2流入及H2排出的氣體流動狀態是中間流，即使在盲孔內部，界面反應產生的H2氣氛也能及時排出，外部滲碳氣體C2H2能夠充分流入，所以試樣盲孔內部也有相當深的滲碳層。另外，真空狀態下對試樣表面的潔凈作用，也有助于盲孔內的滲碳。

2.4.1 真空度對滲碳效果的影響

工藝2、3為不同真空度時的真空滲碳，滲碳時間和擴散時間都相同，工藝2的滲碳氣壓約為100 Pa，工藝3的滲碳氣壓約為220 Pa，兩者真空度不同，盲孔滲碳的效果也不同。經工藝2處理后，φ5、φ3和φ1.5 mm盲孔的有效滲碳深度分別為110、70和50 mm左右；經工藝3處理后，它們的有效滲碳深度分別為120、70和35 mm左右。

由圖3可知，試樣經工藝2與工藝3處理后的外圓表面滲碳有效硬化層深度及φ5 mm盲孔內壁表面有效滲碳深度相近，氣壓稍高的工藝3處理的結果比工藝2處理的滲層稍深。但處理盲孔尺寸特別小的試樣(φ1.5 mm)時，工藝3處理后的盲孔內壁表面有效滲碳深度比工藝2處理的稍淺。究其原因是盲孔尺寸特別小時，高真空狀態比低真空狀態更利于氣體分子的傳送。

2.4.2 盲孔尺寸對滲碳效果的影響

據表2及圖4所示，經不同工藝處理后，φ5 mm盲孔有效滲碳深度最深，真空低壓滲碳時能達到110～120 mm。φ3 mm盲孔次之，真空低壓滲碳時能達到70 mm。φ1.5 mm 盲孔有效滲碳深度最淺，真空低壓滲碳時能達到35～50 mm。其原因主要是氣體流動在中間流的狀態下，大的盲孔更有利于滲碳氣體C2H2流入及H2排出。

3 結論

1) 常規氣氛滲碳工藝對盲孔內部滲碳效果很弱，真空低壓滲碳對盲孔內部的滲碳能力遠高于氣氛滲碳。因此，真空低壓滲碳是對盲孔進行有效滲碳的合理方法。

2) 常規氣氛滲碳工藝和真空低壓滲碳工藝的滲碳機理或滲碳時的氣體狀態不同，是引起兩種工藝對盲孔內部的滲碳能力不同的主要原因。

3) 盲孔尺寸越小，內部滲碳效果越弱。對于尺寸特別小的盲孔，高真空狀態比低真空狀態的滲碳效果更好。