摘要：航空金屬固體滲碳熱處理是傳統(tǒng)的一類化學(xué)熱處理的工藝方法。雖然具有表面碳濃度容易偏高，導(dǎo)致滲碳層組織與性能惡化，使零件早期失效和滲碳層深度不易控制等缺點，但由于該工藝方法具有不要求特殊設(shè)備、易實現(xiàn)、成本低等優(yōu)點，所以目前上海海鷹機械廠仍采用該方法。本文通過分析航空金屬固體滲碳熱處理生產(chǎn)中，引發(fā)各類缺陷的根本因素，整理并制定了相應(yīng)的預(yù)防及整改措施。

　　關(guān)鍵詞：固體滲碳;熱處理;缺陷;預(yù)防;整改措施

　　固體滲碳屬于化學(xué)熱處理，是零件加工制造中應(yīng)用廣泛的一種熱處理工藝，可以使零件獲得較高的表面硬度、耐磨性以及較高的接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度[1]。目前，上海海鷹機械廠的滲碳生產(chǎn)流程當中以及滲碳完工后的零件中，發(fā)現(xiàn)了各種類別的缺陷，且出現(xiàn)概率較高。基于此，文章通過深入剖析固體滲碳工藝、常見缺陷的形成機理，制定了針對性很強的預(yù)防整改措施。

　　1航空用鋼固體滲碳熱處理工藝流程

　　主要工序流程：滲碳前棒料預(yù)備熱處理(正火+回火)→滲碳處理(消除機加工應(yīng)力處理+滲碳+高溫回火)→正火、淬火(+冷處理+回火)→磨削后的去應(yīng)力回火。滲碳處理詳細情況如下：1)驗收。零件表面應(yīng)無裂紋、劃傷、毛刺等，也不允許有銹蝕等缺陷，應(yīng)盡量避免尖角。零件表面的粗糙度應(yīng)在Ra3.2～Ra1.6范圍內(nèi)，如零件局部滲碳，對非滲表面應(yīng)采取防滲措施，一般采用鍍銅(鍍銅層厚度為30μm～70μm)或預(yù)留余量加工方法，預(yù)留的余量應(yīng)大于最大滲層厚度的1.3倍。

　　2)準備。用干凈汽油反復(fù)清洗零件、試樣表面的油污，并晾干(如有鍍銅保護層的注意不要碰傷保護層)。在專用的滲碳箱底部撒上一層30mm～40mm厚的固體滲碳劑，用木錘輕敲箱壁使之密實，在此層滲碳劑上放置一層零件，零件彼此間距和零件與箱壁的距離為20mm～25mm，然后在零件上撒一層滲碳劑重新?lián)v實，再放零件。頂部撒上一層20mm～25mm厚的固體滲碳劑并緊緊搗實，最上面放上一塊玻璃纖維，最后用石英砂把箱蓋密封，其中在箱壁的專用孔插入2個有缺口的圓柱體試樣，在滲碳期間抽出試樣，快速檢測滲碳深度以便確定滲碳箱出爐時間(硬度試樣與零件同爐)。

　　3)裝爐。滲碳箱在到溫后裝爐也可隨爐升溫，但在計算保溫時間時要相差1h～2h，在計算滲碳速度需考慮。4)滲碳處理升溫。儀器設(shè)施為箱體式臺車加熱爐，型號為Rt2-65，加熱溫度890℃～910℃。

　　5)滲碳過程控制。①滲碳箱裝爐到溫240min后，打開爐門，從滲碳箱的專用孔中取出一個觀察試樣，空冷(同時關(guān)閉爐門)，馬上測量滲碳深度，測得的數(shù)據(jù)除以3(如滲碳箱是隨爐升溫的測得的數(shù)據(jù)除以4)得出滲碳速度，然后根據(jù)零件加工工藝單的滲碳深度要求，計算出擴散時間(固體滲碳速度一般為0.15mm/h);②等到擴散時間到了，按取第一根的方法取出第二根試樣測量滲碳深度。如果滲碳深度不符合要求，可以繼續(xù)增加時間，如果滲碳深度符合要求，可隨時準備從爐中取出零部件。6)滲碳后冷卻。當滲碳深度符合要求時，立即將滲碳箱從爐中取出在空氣中冷卻，開箱溫度一般不高于100℃。

　　7)清洗。將零件和試樣從滲碳爐中取出，去除表面滲碳劑之后，仔細觀察零件表面狀況，確保零件表面無殘留物質(zhì)，保持清潔。8)高溫回火。儀器設(shè)施為箱體式臺車加熱爐，型號為Rt2-65，加熱溫度為600℃～660℃，保溫時間為≥4h;冷卻方法為空冷。注意：零件采用木炭箱保護，硬度在同一爐內(nèi)測試，滲碳冷卻后與高溫回火間隔時間不超過4h。9)滲碳后檢驗。檢驗類別——過程檢驗，檢驗要求——檢查零件裝爐和出爐情況，中間過程采用巡查，在第二根圓柱體滲碳試樣的缺口斷面上檢測滲碳深度(精確到一位小數(shù))并記錄，檢查記錄儀內(nèi)容是否符合工藝要求。測試：用游標尺檢查，見均勻的環(huán)形接觸痕跡，各斷裂螺栓接觸痕跡損傷差異較小，較故障螺栓接觸損傷略輕[1]。

　　2常見故障分析及預(yù)防措施

　　2.1滲碳件淬火后表面硬度低

　　淬火后，滲碳件表面硬度必須達到hrc58-63(根據(jù)實際拉拔要求)，低于拉拔要求下限時，硬度不足。1)機理剖析。①零件金屬滲碳表面的碳含量濃度偏小;②零件金屬表面脫碳淬火處理后會出現(xiàn)表面脫碳、鐵素體或其他非馬氏體組織，從而使表面硬度指標下降;③淬火工藝不當、淬火加熱溫度過低、淬火介質(zhì)選擇不當或介質(zhì)溫度太高等工藝上的差錯都有可能導(dǎo)致淬火得不到馬氏體組織，從而使硬度達不到要求;④通過淬火處理之后，零件表面內(nèi)部殘余的奧氏體組織太多，明顯降低了硬度的指標。

　　2)預(yù)防及整改措施。①正確編制和修訂淬火工藝流程，避免工藝操作中的誤差過大;②零件金屬表面滲碳處理后，確保零件溫度低于100℃，然后采取措施避免空氣和零部件外面層接觸后氧化脫碳。此外，淬火加熱或滲碳后進行其他處理的加熱，如正火、高溫回火加熱等，都要注意防止零部件外面層產(chǎn)生氧化脫碳[2]。

　　2.2滲碳件變形

　　1)機理剖析。金屬零部件通常在890℃～910℃范圍內(nèi)，保持較長時間的滲碳工藝處理，鋼制零部件的高溫強度極大程度的減小，零件因自身的重力壓迫變形，或者工裝選取不合適，導(dǎo)致零件發(fā)生變形現(xiàn)象。

　　2)預(yù)防及整改措施。長軸長板零件必須放置平整且不能承受重壓，爐子操作要平穩(wěn)，盡量采取進行自然降低溫度取出爐的方法。為了避免滲碳后淬火過程中可能出現(xiàn) 的零部件大變形問題，淬火時應(yīng)采取下列措施。①工藝設(shè)計時，選擇滲碳結(jié)束后直接淬火，而不是二次淬火的方式;②由于滲碳淬火零部件內(nèi)孔的變形主要是縮孔，采用塞式芯棒淬火工藝，設(shè)計了一種有限尺寸的芯棒，在淬火冷卻前先放入零部件，適合小批量生產(chǎn);③確定合理的淬火溫度;④盡量選擇低合金滲碳鋼，如20Cr、20CrMo、20CrMnTi等制造零部件，使用油、熱油、硝鹽等冷卻劑，減少馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的組織應(yīng)力變形[2]。

　　2.3滲碳層形成粗大碳化物或網(wǎng)狀碳化物

　　一般零件滲碳層表面濃度要求為0.8%～1%，滲碳層中的碳化物應(yīng)以細小顆粒的形式均勻分布，這有利于提高滲碳層的耐磨性，而形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的碳化物后，滲碳層表面脆性增加，韌性降低，零件使用壽命降低。

　　1)機理剖析。①錯誤采用了大活性的滲碳劑，碳勢遠遠大于零部件滲碳層外表的規(guī)定濃度大小，多出的碳在工藝溫度下以碳化物的狀態(tài)順著奧氏體晶界累積成長并結(jié)成網(wǎng)狀形態(tài);②高碳勢的情況下，較高的電爐溫度，使碳原子向內(nèi)部滲透進入;③降溫的速度太慢會造成過多的碳量產(chǎn)生碳化物，并且從奧氏體晶界中析出了部分碳化物，形成更加粗大、連續(xù)排列的碳化物網(wǎng)。

　　2)預(yù)防及整改措施。在工藝中選用活性適應(yīng)的滲碳劑確保碳勢在合理范圍，還可以通過加快零部件降溫速度，促使碳化物來不及析出表面基體，降低產(chǎn)生網(wǎng)狀缺陷的趨勢。

　　2.4滲碳層不均勻

　　有兩種不均勻現(xiàn)象：一種是深度不均勻，另一種是濃度不均勻，而且往往在很小的區(qū)域上表現(xiàn)得很明顯。此類缺陷將導(dǎo)致零部件各部分的硬度、耐磨性、抗疲勞性能有差異不均勻，同時淬火變形的問題將大概率發(fā)生，極大程度上縮短零部件的使用壽命，導(dǎo)致提前報廢。

　　1)機理剖析。①滲碳劑導(dǎo)熱性差，放在邊緣與中心處的零部件不能同時開始滲碳;②按工藝配制滲碳劑的過程中，處理不到位，造成滲碳箱的各區(qū)域的滲碳劑含量千差萬別;③由于箱式電爐爐底板下有電阻絲，使?jié)B碳箱局部溫度較高，因此滲層較厚;④在零部件安裝到爐子上之前，清洗工作沒有完成或沒有徹底完成，零部件表面有一些雜物，如銹、氧化皮、油漬等;⑤零部件在爐內(nèi)的放置不均勻，部分零部件距離不恰當太緊密了，沒有保持合理。

　　2)預(yù)防及整改措施。①滲碳前勻溫，加熱到820℃時，將滲碳箱裝入爐內(nèi)，均溫2h以上時，再升到890℃～910℃;②加厚底層的滲碳劑，由于滲碳劑導(dǎo)熱性差，加厚底層滲碳劑可降低下部加熱速度;③用堿水或有機溶劑清洗零部件表面，尤其是孔洞，然后再將零部件放入爐內(nèi);零部件的平面部分不能接觸得很緊，小零部件之間應(yīng)有一定的間隔，不能堆疊得太厚，應(yīng)有專門的工裝或鋪層隔開。

　　2.5滲碳層殘余奧氏體過多

　　零部件經(jīng)過淬火后，若表面殘余了的超過規(guī)定量的奧氏體組織將會造成硬度大幅降低，從而引起該零部件耐磨性能和尺寸的穩(wěn)定性能下降;同時，含有殘余奧氏體的馬氏體組織的粗針尺寸會降低其強韌性，其實，表面層內(nèi)部含有適量的殘余奧氏體對增加滲碳層的韌性和接觸疲勞強度有正面的提升作用;可以得出，在不一樣的有效載荷和工況下，殘余奧氏體的允許含量范圍顯然是不一樣的，一般認可的區(qū)間為15%～20%的殘余奧氏體。

　　1)機理剖析。①鋼中的合金元素多，如Cr、Mn、Ti、V、Mo、W、Ni等元素溶入奧氏體中，增加了奧氏體的穩(wěn)定性，使淬火后殘余奧氏體量增多;②滲碳層碳濃度過高，引起淬火后殘余奧氏體過多;③淬火溫度偏高，加熱溫度越高，溶入奧氏體中的合金元素和碳量均會加多，奧氏體的穩(wěn)定性也越高，從而導(dǎo)致淬火后殘余奧氏體量增加;④淬火冷卻劑溫度偏高，淬火冷卻的終止溫度離馬氏體轉(zhuǎn)變終止點越遠，馬氏體轉(zhuǎn)變進行越不充分，殘余奧氏體就越多[3]。2)預(yù)防及整改措施。①合理選擇滲碳劑的用量，降低滲碳過程、淬火和冷卻介質(zhì)的溫度，可以減少和避免殘余奧氏體的含量偏大問題[4];②另外，還可以通過再加熱后淬火、二次淬火和后淬火的方式，可以大大減少滲碳層中過量的殘余奧氏體的含量。

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　　3結(jié)論

　　航空零部件滲碳熱處理的工藝流程非常繁瑣，整個流程的時間很長，耗費大量工時。找出防止和降低零部件滲碳熱處理過程中產(chǎn)生缺陷的原因和預(yù)防措施，是企業(yè)降本增效的關(guān)鍵。本文通過細致剖析航空零部件在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的滲碳熱處理缺陷，深入挖掘形成的機理和不良后果，得到了造成缺陷的根本原因，進而提出了針對性的預(yù)防整改措施、適合的工藝參數(shù)流程，同時要求操作人員嚴格按照工藝規(guī)范操作，保證工藝參數(shù)的準確性，最終生產(chǎn)出合格、滿意的滲碳產(chǎn)品。

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　　作者：朱金庚，王力