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(diǎn)，但由于該工藝方法具有不要求特殊設(shè)備、易實(shí)現(xiàn)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，所以目前上海海鷹機(jī)械廠仍采用該方法。本文通過(guò)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(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度[1]。目前，上海海鷹機(jī)械廠的滲碳生產(chǎn)流程當(dāng)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(guò)深入剖析固體滲碳工藝、常見缺陷的形成機(jī)理，制定了針對(duì)性很強(qiáng)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(jī)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(xì)情況如下：1)驗(yàn)收。零件表面應(yīng)無(wú)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(duì)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(zhǔn)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(hù)層的注意不要碰傷保護(hù)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(shí)，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(shí)，再放零件。頂部撒上一層20mm～25mm厚的固體滲碳劑并緊緊搗實(shí)，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(gè)有缺口的圓柱體試樣，在滲碳期間抽出試樣，快速檢測(cè)滲碳深度以便確定滲碳箱出爐時(shí)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(jì)算保溫時(shí)間時(shí)要相差1h～2h，在計(jì)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(tái)車加熱爐，型號(hào)為Rt2-65，加熱溫度890℃～910℃。

　　5)滲碳過(guò)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(gè)觀察試樣，空冷(同時(shí)關(guān)閉爐門)，馬上測(cè)量滲碳深度，測(cè)得的數(shù)據(jù)除以3(如滲碳箱是隨爐升溫的測(cè)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(jì)算出擴(kuò)散時(shí)間(固體滲碳速度一般為0.15mm/h);②等到擴(kuò)散時(shí)間到了，按取第一根的方法取出第二根試樣測(cè)量滲碳深度。如果滲碳深度不符合要求，可以繼續(xù)增加時(shí)間，如果滲碳深度符合要求，可隨時(shí)準(zhǔn)備從爐中取出零部件。6)滲碳后冷卻。當(dāng)滲碳深度符合要求時(shí)，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(xì)觀察零件表面狀況，確保零件表面無(wú)殘留物質(zhì)，保持清潔。8)高溫回火。儀器設(shè)施為箱體式臺(tái)車加熱爐，型號(hào)為Rt2-65，加熱溫度為600℃～660℃，保溫時(shí)間為≥4h;冷卻方法為空冷。注意：零件采用木炭箱保護(hù)，硬度在同一爐內(nèi)測(cè)試，滲碳冷卻后與高溫回火間隔時(shí)間不超過(guò)4h。9)滲碳后檢驗(yàn)。檢驗(yàn)類別——過(guò)程檢驗(yàn)，檢驗(yàn)要求——檢查零件裝爐和出爐情況，中間過(guò)程采用巡查，在第二根圓柱體滲碳試樣的缺口斷面上檢測(cè)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(cè)試：用游標(biāo)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(dá)到hrc58-63(根據(jù)實(shí)際拉拔要求)，低于拉拔要求下限時(shí)，硬度不足。1)機(jī)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(huì)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(biāo)下降;③淬火工藝不當(dāng)、淬火加熱溫度過(guò)低、淬火介質(zhì)選擇不當(dāng)或介質(zhì)溫度太高等工藝上的差錯(cuò)都有可能導(dǎo)致淬火得不到馬氏體組織，從而使硬度達(dá)不到要求;④通過(guò)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(biāo)。

　　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(guò)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(jìn)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(jī)理剖析。金屬零部件通常在890℃～910℃范圍內(nèi)，保持較長(zhǎng)時(shí)間的滲碳工藝處理，鋼制零部件的高溫強(qiáng)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(zhǎng)軸長(zhǎng)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(jìn)行自然降低溫度取出爐的方法。為了避免滲碳后淬火過(guò)程中可能出現(xiàn) 的零部件大變形問(wèn)題，淬火時(shí)應(yīng)采取下列措施。①工藝設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)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(xì)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(jī)理剖析。①錯(cuò)誤采用了大活性的滲碳劑，碳勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(zhǎng)并結(jié)成網(wǎng)狀形態(tài);②高碳勢(shì)的情況下，較高的電爐溫度，使碳原子向內(nèi)部滲透進(jìn)入;③降溫的速度太慢會(huì)造成過(guò)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(shì)在合理范圍，還可以通過(guò)加快零部件降溫速度，促使碳化物來(lái)不及析出表面基體，降低產(chǎn)生網(wǎng)狀缺陷的趨勢(shì)。

　　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(shí)淬火變形的問(wèn)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(bào)廢。

　　1)機(jī)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(shí)開始滲碳;②按工藝配制滲碳劑的過(guò)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(wàn)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(méi)有完成或沒(méi)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(dāng)太緊密了，沒(méi)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(shí)，將滲碳箱裝入爐內(nèi)，均溫2h以上時(shí)，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(jī)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(guò)多

　　零部件經(jīng)過(guò)淬火后，若表面殘余了的超過(guò)規(guī)定量的奧氏體組織將會(huì)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(shí)，含有殘余奧氏體的馬氏體組織的粗針尺寸會(huì)降低其強(qiáng)韌性，其實(shí)，表面層內(nèi)部含有適量的殘余奧氏體對(duì)增加滲碳層的韌性和接觸疲勞強(qiáng)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(rèn)可的區(qū)間為15%～20%的殘余奧氏體。

　　1)機(jī)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(guò)高，引起淬火后殘余奧氏體過(guò)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(huì)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(diǎn)越遠(yuǎn)，馬氏體轉(zhuǎn)變進(jìn)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(guò)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(wèn)題[4];②另外，還可以通過(guò)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(guò)量的殘余奧氏體的含量。

　　農(nóng)業(yè)論文投稿刊物：《南方農(nóng)機(jī)》(雙月刊)創(chuàng)刊于1970年，由江西省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所、江西省農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣站、江西省農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)主辦。本刊是國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行，頗有南方特色的農(nóng)機(jī)化技術(shù)刊物，以全面推介南方適用農(nóng)業(yè)機(jī)械，大力普及實(shí)用農(nóng)機(jī)科技為宗旨，謁誠(chéng)為廣大農(nóng)村機(jī)手、農(nóng)機(jī)生產(chǎn)和銷售企業(yè)、基層農(nóng)機(jī)工作者、農(nóng)機(jī)科技人員服務(wù)。主要讀者群為南方15省市各級(jí)農(nóng)機(jī)工作者及廣大農(nóng)林機(jī)手、拖拉機(jī)駕駛員。涵蓋面廣、發(fā)行量大，是貴單位宣傳企業(yè)形象、擴(kuò)大知名度、特別是產(chǎn)品迅速占領(lǐng)市場(chǎng)、擴(kuò)大市場(chǎng)份額的最佳媒體。

　　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(gè)流程的時(shí)間很長(zhǎng)，耗費(fèi)大量工時(shí)。找出防止和降低零部件滲碳熱處理過(guò)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(guò)細(xì)致剖析航空零部件在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的滲碳熱處理缺陷，深入挖掘形成的機(jī)理和不良后果，得到了造成缺陷的根本原因，進(jìn)而提出了針對(duì)性的預(yù)防整改措施、適合的工藝參數(shù)流程，同時(shí)要求操作人員嚴(yán)格按照工藝規(guī)范操作，保證工藝參數(shù)的準(zhǔn)確性，最終生產(chǎn)出合格、滿意的滲碳產(chǎn)品。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]金榮植.先進(jìn)的齒輪低壓真空滲碳與高壓氣淬技術(shù)及裝備[J].金屬加工(熱加工)，2014(11)：8-10.

　　[2]張潤(rùn)慧，張延成，宋立波.滲碳熱處理缺陷分析[J].哈爾濱軸承，2009，30(3)：31-32+50.

　　[3]王廣生.航空熱處理標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2008.

　　[4]周薇，劉大琨，倪文忠.高溫滲碳淬火熱處理方法分析[J].南方農(nóng)機(jī)，2019，50(18)：18.

　　作者：朱金庚，王力