航空金属固体渗碳热处理缺陷分析及预防

　　摘要：航空金属固体渗碳热处理是传统的一类化学热处理的工艺方法。虽然具有表面碳浓度容易偏高，导致渗碳层组织与性能恶化，使零件早期失效和渗碳层深度不易控制等缺点，但由于该工艺方法具有不要求特殊设备、易实现、成本低等优点，所以目前上海海鹰机械厂仍采用该方法。本文通过分析航空金属固体渗碳热处理生产中，引发各类缺陷的根本因素，整理并制定了相应的预防及整改措施。

　　关键词：固体渗碳;热处理;缺陷;预防;整改措施

　　固体渗碳属于化学热处理，是零件加工制造中应用广泛的一种热处理工艺，可以使零件获得较高的表面硬度、耐磨性以及较高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度[1]。目前，上海海鹰机械厂的渗碳生产流程当中以及渗碳完工后的零件中，发现了各种类别的缺陷，且出现概率较高。基于此，文章通过深入剖析固体渗碳工艺、常见缺陷的形成机理，制定了针对性很强的预防整改措施。

　　1航空用钢固体渗碳热处理工艺流程

　　主要工序流程：渗碳前棒料预备热处理(正火+回火)→渗碳处理(消除机加工应力处理+渗碳+高温回火)→正火、淬火(+冷处理+回火)→磨削后的去应力回火。渗碳处理详细情况如下：1)验收。零件表面应无裂纹、划伤、毛刺等，也不允许有锈蚀等缺陷，应尽量避免尖角。零件表面的粗糙度应在Ra3.2～Ra1.6范围内，如零件局部渗碳，对非渗表面应采取防渗措施，一般采用镀铜(镀铜层厚度为30μm～70μm)或预留余量加工方法，预留的余量应大于最大渗层厚度的1.3倍。

　　2)准备。用干净汽油反复清洗零件、试样表面的油污，并晾干(如有镀铜保护层的注意不要碰伤保护层)。在专用的渗碳箱底部撒上一层30mm～40mm厚的固体渗碳剂，用木锤轻敲箱壁使之密实，在此层渗碳剂上放置一层零件，零件彼此间距和零件与箱壁的距离为20mm～25mm，然后在零件上撒一层渗碳剂重新捣实，再放零件。顶部撒上一层20mm～25mm厚的固体渗碳剂并紧紧捣实，最上面放上一块玻璃纤维，最后用石英砂把箱盖密封，其中在箱壁的专用孔插入2个有缺口的圆柱体试样，在渗碳期间抽出试样，快速检测渗碳深度以便确定渗碳箱出炉时间(硬度试样与零件同炉)。

　　3)装炉。渗碳箱在到温后装炉也可随炉升温，但在计算保温时间时要相差1h～2h，在计算渗碳速度需考虑。4)渗碳处理升温。仪器设施为箱体式台车加热炉，型号为Rt2-65，加热温度890℃～910℃。

　　5)渗碳过程控制。①渗碳箱装炉到温240min后，打开炉门，从渗碳箱的专用孔中取出一个观察试样，空冷(同时关闭炉门)，马上测量渗碳深度，测得的数据除以3(如渗碳箱是随炉升温的测得的数据除以4)得出渗碳速度，然后根据零件加工工艺单的渗碳深度要求，计算出扩散时间(固体渗碳速度一般为0.15mm/h);②等到扩散时间到了，按取第一根的方法取出第二根试样测量渗碳深度。如果渗碳深度不符合要求，可以继续增加时间，如果渗碳深度符合要求，可随时准备从炉中取出零部件。6)渗碳后冷却。当渗碳深度符合要求时，立即将渗碳箱从炉中取出在空气中冷却，开箱温度一般不高于100℃。

　　7)清洗。将零件和试样从渗碳炉中取出，去除表面渗碳剂之后，仔细观察零件表面状况，确保零件表面无残留物质，保持清洁。8)高温回火。仪器设施为箱体式台车加热炉，型号为Rt2-65，加热温度为600℃～660℃，保温时间为≥4h;冷却方法为空冷。注意：零件采用木炭箱保护，硬度在同一炉内测试，渗碳冷却后与高温回火间隔时间不超过4h。9)渗碳后检验。检验类别——过程检验，检验要求——检查零件装炉和出炉情况，中间过程采用巡查，在第二根圆柱体渗碳试样的缺口断面上检测渗碳深度(精确到一位小数)并记录，检查记录仪内容是否符合工艺要求。测试：用游标尺检查，见均匀的环形接触痕迹，各断裂螺栓接触痕迹损伤差异较小，较故障螺栓接触损伤略轻[1]。

　　2常见故障分析及预防措施

　　2.1渗碳件淬火后表面硬度低

　　淬火后，渗碳件表面硬度必须达到hrc58-63(根据实际拉拔要求)，低于拉拔要求下限时，硬度不足。1)机理剖析。①零件金属渗碳表面的碳含量浓度偏小;②零件金属表面脱碳淬火处理后会出现表面脱碳、铁素体或其他非马氏体组织，从而使表面硬度指标下降;③淬火工艺不当、淬火加热温度过低、淬火介质选择不当或介质温度太高等工艺上的差错都有可能导致淬火得不到马氏体组织，从而使硬度达不到要求;④通过淬火处理之后，零件表面内部残余的奥氏体组织太多，明显降低了硬度的指标。

　　2)预防及整改措施。①正确编制和修订淬火工艺流程，避免工艺操作中的误差过大;②零件金属表面渗碳处理后，确保零件温度低于100℃，然后采取措施避免空气和零部件外面层接触后氧化脱碳。此外，淬火加热或渗碳后进行其他处理的加热，如正火、高温回火加热等，都要注意防止零部件外面层产生氧化脱碳[2]。

　　2.2渗碳件变形

　　1)机理剖析。金属零部件通常在890℃～910℃范围内，保持较长时间的渗碳工艺处理，钢制零部件的高温强度极大程度的减小，零件因自身的重力压迫变形，或者工装选取不合适，导致零件发生变形现象。

　　2)预防及整改措施。长轴长板零件必须放置平整且不能承受重压，炉子操作要平稳，尽量采取进行自然降低温度取出炉的方法。为了避免渗碳后淬火过程中可能出现 的零部件大变形问题，淬火时应采取下列措施。①工艺设计时，选择渗碳结束后直接淬火，而不是二次淬火的方式;②由于渗碳淬火零部件内孔的变形主要是缩孔，采用塞式芯棒淬火工艺，设计了一种有限尺寸的芯棒，在淬火冷却前先放入零部件，适合小批量生产;③确定合理的淬火温度;④尽量选择低合金渗碳钢，如20Cr、20CrMo、20CrMnTi等制造零部件，使用油、热油、硝盐等冷却剂，减少马氏体转变区内产生的组织应力变形[2]。

　　2.3渗碳层形成粗大碳化物或网状碳化物

　　一般零件渗碳层表面浓度要求为0.8%～1%，渗碳层中的碳化物应以细小颗粒的形式均匀分布，这有利于提高渗碳层的耐磨性，而形成网状结构的碳化物后，渗碳层表面脆性增加，韧性降低，零件使用寿命降低。

　　1)机理剖析。①错误采用了大活性的渗碳剂，碳势远远大于零部件渗碳层外表的规定浓度大小，多出的碳在工艺温度下以碳化物的状态顺着奥氏体晶界累积成长并结成网状形态;②高碳势的情况下，较高的电炉温度，使碳原子向内部渗透进入;③降温的速度太慢会造成过多的碳量产生碳化物，并且从奥氏体晶界中析出了部分碳化物，形成更加粗大、连续排列的碳化物网。

　　2)预防及整改措施。在工艺中选用活性适应的渗碳剂确保碳势在合理范围，还可以通过加快零部件降温速度，促使碳化物来不及析出表面基体，降低产生网状缺陷的趋势。

　　2.4渗碳层不均匀

　　有两种不均匀现象：一种是深度不均匀，另一种是浓度不均匀，而且往往在很小的区域上表现得很明显。此类缺陷将导致零部件各部分的硬度、耐磨性、抗疲劳性能有差异不均匀，同时淬火变形的问题将大概率发生，极大程度上缩短零部件的使用寿命，导致提前报废。

　　1)机理剖析。①渗碳剂导热性差，放在边缘与中心处的零部件不能同时开始渗碳;②按工艺配制渗碳剂的过程中，处理不到位，造成渗碳箱的各区域的渗碳剂含量千差万别;③由于箱式电炉炉底板下有电阻丝，使渗碳箱局部温度较高，因此渗层较厚;④在零部件安装到炉子上之前，清洗工作没有完成或没有彻底完成，零部件表面有一些杂物，如锈、氧化皮、油渍等;⑤零部件在炉内的放置不均匀，部分零部件距离不恰当太紧密了，没有保持合理。

　　2)预防及整改措施。①渗碳前匀温，加热到820℃时，将渗碳箱装入炉内，均温2h以上时，再升到890℃～910℃;②加厚底层的渗碳剂，由于渗碳剂导热性差，加厚底层渗碳剂可降低下部加热速度;③用碱水或有机溶剂清洗零部件表面，尤其是孔洞，然后再将零部件放入炉内;零部件的平面部分不能接触得很紧，小零部件之间应有一定的间隔，不能堆叠得太厚，应有专门的工装或铺层隔开。

　　2.5渗碳层残余奥氏体过多

　　零部件经过淬火后，若表面残余了的超过规定量的奥氏体组织将会造成硬度大幅降低，从而引起该零部件耐磨性能和尺寸的稳定性能下降;同时，含有残余奥氏体的马氏体组织的粗针尺寸会降低其强韧性，其实，表面层内部含有适量的残余奥氏体对增加渗碳层的韧性和接触疲劳强度有正面的提升作用;可以得出，在不一样的有效载荷和工况下，残余奥氏体的允许含量范围显然是不一样的，一般认可的区间为15%～20%的残余奥氏体。

　　1)机理剖析。①钢中的合金元素多，如Cr、Mn、Ti、V、Mo、W、Ni等元素溶入奥氏体中，增加了奥氏体的稳定性，使淬火后残余奥氏体量增多;②渗碳层碳浓度过高，引起淬火后残余奥氏体过多;③淬火温度偏高，加热温度越高，溶入奥氏体中的合金元素和碳量均会加多，奥氏体的稳定性也越高，从而导致淬火后残余奥氏体量增加;④淬火冷却剂温度偏高，淬火冷却的终止温度离马氏体转变终止点越远，马氏体转变进行越不充分，残余奥氏体就越多[3]。2)预防及整改措施。①合理选择渗碳剂的用量，降低渗碳过程、淬火和冷却介质的温度，可以减少和避免残余奥氏体的含量偏大问题[4];②另外，还可以通过再加热后淬火、二次淬火和后淬火的方式，可以大大减少渗碳层中过量的残余奥氏体的含量。

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　　3结论

　　航空零部件渗碳热处理的工艺流程非常繁琐，整个流程的时间很长，耗费大量工时。找出防止和降低零部件渗碳热处理过程中产生缺陷的原因和预防措施，是企业降本增效的关键。本文通过细致剖析航空零部件在生产过程中出现的渗碳热处理缺陷，深入挖掘形成的机理和不良后果，得到了造成缺陷的根本原因，进而提出了针对性的预防整改措施、适合的工艺参数流程，同时要求操作人员严格按照工艺规范操作，保证工艺参数的准确性，最终生产出合格、满意的渗碳产品。

　　参考文献：

　　[1]金荣植.先进的齿轮低压真空渗碳与高压气淬技术及装备[J].金属加工(热加工)，2014(11)：8-10.

　　[2]张润慧，张延成，宋立波.渗碳热处理缺陷分析[J].哈尔滨轴承，2009，30(3)：31-32+50.

　　[3]王广生.航空热处理标准应用手册[M].北京：航空工业出版社，2008.

　　[4]周薇，刘大琨，倪文忠.高温渗碳淬火热处理方法分析[J].南方农机，2019，50(18)：18.

　　作者：朱金庚，王力