1 目 錄 前言 .2 鑿巖釬具釬尾的熱處理工藝探索 . 3 1、釬尾的工作環(huán)境和失效形式分析 .4 1.1 釬尾斷裂 .4 1.2 尾部端面破損 .4 1.3 螺紋磨損 .4 1.4 釬耳破斷 .4 2、釬尾的服役條件 .4 3、釬尾的材料及合金元素的作用 .5 4、 En40B 常用釬尾的熱處理工藝分析 .6 4.1 去應(yīng)力 退火 .6 4.2 滲碳 +直接淬火 .7 4.2.1 滲碳 .7 4.2.2 直接淬火 .12 4.2.3 滲碳空淬后常見的缺陷及對策 .13 4.3 低溫 回火 . 16 4.4 時效處理 . 16 5、 En40B 常用釬尾的新的熱處理工藝 .17 5.1 滲碳 .17 5.2 等溫淬火 .17 結(jié) 論 .19 參考文獻(xiàn) .21 2 鑿巖釬具釬尾的熱處理工藝探索 陳 梅 摘要 ：本文通過對釬具釬尾的工作環(huán)境、失效形式及釬尾用鋼中所含的元素的種類和含量的分析；對鑿巖釬具 中 材料為 En40B 的釬尾的熱處理工藝進(jìn)行分析探索；研究了釬尾在實際使用中的性能要 求、實際生產(chǎn)中設(shè)備的先進(jìn)性、金相組織、硬度實驗；提出了針對 En40B 釬尾的熱處理工藝中所涉及的問題；采用了對釬尾在工藝過程中各工序的溫度高低、保溫時間長短和可控氣氛多用爐中碳濃度的高低的比較及所產(chǎn)生缺陷的分析 ，從而進(jìn)一步提出了關(guān)于 鑿巖釬具釬尾的新的熱處理工藝：滲碳 高溫回火 等溫淬火 低溫回火 ；解決了 En40B 釬尾的熱處理工藝參數(shù)選定原因和公司工藝中常存在的缺陷問題 ；達(dá)到了對 En40B 釬尾熱處理工藝的理解 ,以及利用新工藝提高釬尾的使用性能的目的 。 關(guān)鍵詞 ：材料、釬尾、熱處理 前言 ： 無論是各種礦產(chǎn)資源的開 采、鐵路、公路、水利、水電等能源交通的建設(shè)，還是地質(zhì)、建筑等部門，都離不開鉆爆作業(yè)，離不開使用鑿巖釬具。 釬具見 圖 1 圖 1 釬具 3 釬 具（ rockdrill tools）是鑿巖爆破中必不可少的工具。它是用釬鋼和其他材料（如硬質(zhì)合金）制造而成的鉆鑿巖石用的工具。它主要包含四大類 部件 ，即釬桿或稱釬子桿（ rad），釬頭或鉆頭（ bit），連接套筒或稱套筒（ coupling）與釬尾（ shark adaptor）。 由于公司對釬具的熱處理設(shè)備是國產(chǎn)的可控氣氛箱式多用爐， 多用爐只有前室和后室，前室屬于預(yù)熱區(qū)，后室主要 進(jìn)行加熱和滲碳 。 爐內(nèi)的氣氛 的 調(diào)節(jié) 仍需要人工控制 ，多用爐的一些性能（如爐內(nèi)實際的氣氛、溫度的均勻性）還有些不穩(wěn)定。雖然公司主 要生產(chǎn)釬具，但是只有釬尾和連接套筒是利用公司的熱處理的設(shè)備進(jìn)行 處理的 。連接套筒在實際工作中的損害很小，一般需要的量很少 ， 公司 主要是對釬尾的熱處理。釬尾是整個鑿巖設(shè)備的主要消耗工具之一，它的種類很多，材料在公司也有三種，考慮到對工藝探索的具體性，故 我 選擇 對公司里 材料為 En40B 的常用釬尾 的熱處理工藝 進(jìn)行分析 。經(jīng)過分析了公司的工藝 參數(shù) 的取得 原因 和存在的一些缺陷，自己又設(shè)定一個新工藝，彌補了原 來工藝的 一些 不足 之處 ，使釬尾的使用性能更好地被利用，使用壽命有所延長。 鑿巖釬具釬尾的熱處理工藝探索 : 作為現(xiàn)代化配套的釬具，釬尾是隨著鑿巖工藝和鑿巖條件的發(fā)展而生產(chǎn)的。在鑿巖工藝方面，當(dāng)從淺孔鉆鑿發(fā)展到中、深孔鉆鑿時，由于工作截面的限制，若要獲取較深的巖孔，就必須在釬桿同一軸線上，采用連接筒連續(xù)地連接多支釬桿進(jìn)行鉆鑿。這種鑿巖工藝所使用的尾釬桿，就是作為釬尾發(fā)展的雛形。 在鑿巖條件方面，隨著高頻率、大功率全液壓鑿巖設(shè)備迅速發(fā)展，配套的釬具中的釬桿為傳遞鑿巖機所給予的高頻率、大能量的沖擊功，導(dǎo)致鑿巖機與釬桿 配合部位的集幾何結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，連接配合技術(shù)要求也越來越嚴(yán)格。很顯然，鑿巖工藝及條件的改變，提高了對尾釬桿的配合和制造技術(shù)的要求。這樣，全機械加工、高精度成型的各種各樣結(jié)構(gòu)的釬尾就相應(yīng)產(chǎn)生了。最終，發(fā)展為現(xiàn)代鑿巖配套釬具中不可缺少的重要配套件。 1、釬尾的工作環(huán)境和失效 形式 分析 釬尾是鑿巖機的易損件之一。釬尾是螺紋連接鑿巖釬具的重要組成部分，在工作時直接承受鑿巖機高頻沖擊和強力扭轉(zhuǎn)，將鑿巖機活塞運動的沖擊功從釬尾尾端傳遞到釬桿和釬頭，進(jìn)行鑿巖作業(yè)，同時在鑿巖機轉(zhuǎn)動套的帶動下傳遞扭矩，使整個釬具 的 系統(tǒng)轉(zhuǎn)動。釬尾 內(nèi)孔還受到快速流水的沖刷和礦水的腐蝕。工作環(huán)境的惡劣和承受載荷的復(fù)雜性，對釬尾的使用性能提出了更高要求。 釬尾是將活塞的沖擊能量傳遞給釬桿、釬頭，達(dá)到破碎巖石作用 ，在使用時釬尾破壞形式主要是釬尾斷裂、尾部端面破損、螺紋磨損 、釬耳破斷等幾種失效形式。 4 1.1 釬尾斷裂 螺紋釬具鑿巖作業(yè)是釬尾不可避免的承受沖擊、扭轉(zhuǎn)、彎曲等方面作用，容易引起斷裂。斷裂是釬尾在工作過程中經(jīng)常發(fā)生的疲勞破壞，發(fā)生在釬尾注水口處。另外，釬尾在煤礦井下腐蝕介質(zhì)中，也很容易在注水口處產(chǎn)生腐蝕坑，在沖擊載荷作用下，腐蝕坑 中產(chǎn)生應(yīng)力 集中并發(fā)展成疲勞裂紋，在腐蝕與疲勞應(yīng)力共同作用下，裂紋擴展直到斷裂。 1.2 尾部端面損壞 釬尾尾部端面直 接承受鑿巖機活塞的沖擊接觸，端面剝落是常見的損壞方式。大多數(shù)釬尾 使用后在尾部端面出現(xiàn)較小的淺層剝落，肉眼看上去是比較淺的“小坑”，這種剝落對使用影響不大；比較嚴(yán)重的大塊深層剝落與活塞的接觸狀況惡化，甚至造成活塞損壞，給用戶造成經(jīng)濟(jì)損失。這種大塊的深層剝落是由于表面產(chǎn)生了與端面相垂直的裂紋造成的。主要由于釬尾在熱處理過程中產(chǎn)生局部過熱或過燒、淬火裂紋或內(nèi)應(yīng)力過大引起的。 1.3 螺紋磨損 釬尾在鉆鑿過程中 ，其外螺紋與連接套筒的內(nèi)螺紋進(jìn)行連接配合，在使用承受著沖擊、扭轉(zhuǎn)、彎曲等幾方面作用，螺紋由于硬度不夠易于磨損。 1.4 釬耳破斷 釬尾的釬耳與鑿 巖機內(nèi)套的花鍵配合，主要承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用。在鑿巖過程中，軸向拉 壓應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力通過釬耳促使 釬具產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，將沖擊功傳遞給釬頭，達(dá)到破碎巖石的作用。因此，釬尾的釬耳 能 承受的交變應(yīng)力是很大的，在此處經(jīng)常產(chǎn)生斷齒現(xiàn)象。釬耳破斷以后，鑿巖機的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力無法傳遞給釬具而告失效。 2、 釬尾的服役 條件 根據(jù)釬尾的工作環(huán)境和失效形式的分析，釬尾應(yīng)具有足夠的強度 和韌性，高的表面強度和耐 磨性以及高的疲勞抗力和一定的耐腐蝕性 能，心部具有良好的韌性；能夠承受鑿巖機高頻沖擊和強力扭轉(zhuǎn)；抵抗 流水的沖刷和礦水的腐蝕。 3、釬尾的材料及合金元素的作用 釬尾的材料有許多種，現(xiàn)就我所在的公司的材料進(jìn)行分析，公司因是外資企業(yè)，所用的釬尾的材料牌號均為英國牌號；即： En27B、 En30B、 En40B，它們均屬于合金結(jié)構(gòu)鋼。見表 1。 5 表 1 En27B、 En30B、 En40B 的化學(xué)成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù) （ %） 材料 C Si Mn P S Cr Mo Ni 其他 En27B 0.270.35 0.150.35 0.450.70 0.040 0.050 0.901.20 0.250.35 2.753.25 En30B 0.260.34 0.150.35 0.4520.75 0.040 0.050 1.101.40 0.200.35 3.904.30 En40B 0.200.28 0.150.35 0.450.70 0.02 0.025 3.003.50 0.450.65 V0.15 各種元素對合金結(jié)構(gòu)鋼的性能的影響 : 碳（ C） 在鋼中隨著 其質(zhì)量分 數(shù)的增加，可提高鋼的強度和硬度，但降低塑性和韌性。碳 與鋼中某些合金元素化合形成各種碳化物，對鋼的性能產(chǎn)生不同的影響。 以上三種材料根據(jù)釬尾的服役 條件，三者均需要滲碳，增加含碳量。 硅（ Si） 提高鋼的強度和回火穩(wěn)定性，特別是經(jīng)淬火、回火后能提高鋼的屈服極限和彈性極限。含硅量高的鋼，其磁性和電阻均明顯提高，但 Si 有促進(jìn)石墨化傾向。三種材料很好的利用了硅在 鋼 中 的優(yōu)點 。 錳（ Mn） 提高鋼的強度和顯著提高鋼的淬透性，能消深和減少硫?qū)︿?能 產(chǎn)生的熱脆性，含錳量高的鋼，經(jīng)冷加工或沖擊后具有高的耐磨性，但有促使鋼的晶粒長大 和增加第二類回火脆性的傾向。 錳的含量較高，正好使釬尾經(jīng)過冷加工或沖擊后具有高的耐磨性。 磷（ P） 增加鋼中的非金屬夾雜物，使鋼的強度和塑性降低，特別是在低溫時更嚴(yán)重（冷脆性），但稍高的含磷量能改善低碳鋼的切 削加工性。三種鋼的含磷量都較低，磷對鋼性能的影響也 較小 ，尤其是 對 En40B 材料的合金結(jié)構(gòu)鋼影響更小。 硫（ S） 增加鋼中的非金屬夾雜物，使鋼的強度降低，在熱加工時，容易產(chǎn)生脆性（熱脆性），但稍高的含硫量能改善低碳鋼的切削加工性。 硫在這三種鋼的含量也較低，影響和磷 的影響 一樣都較小 ， En40B 硫含量不到 0.025 ，影響不大。 鉻（ Cr） 提高鋼的強度、淬透性和 起到 細(xì)化晶粒，提高韌性和耐磨性的作用，但存 6 在第二類回火脆性的傾向。含鉻量高的鋼，能增大抗腐蝕 （ 性的 ）能力， 鉻 與鎳元素等配合能提高抗氧化性和 熱強性，并進(jìn)一步提高抗腐蝕性。 三種鋼的含鉻量都較多，特別是En40B 含鉻量達(dá) 3.00 3.50，其抗腐蝕的能力增加，韌性也增加。 鎳（ Ni） 提高鋼的強度，而對塑性和韌性影響不大，含量高時與鉻配合能顯著提高鋼的耐腐蝕性和耐熱性。 En27、 En30B 的含鎳量都很高，剛 好與鉻配合達(dá)到了提高鋼的耐腐蝕性和耐熱性 之目的 ， En40B 材料就 沒有這種效果。 鉬（ Mo） 提高鋼的熱硬性和耐磨性，有阻礙鋼晶粒長大和防止 回火脆性的作用，也能提高回火穩(wěn)定性，還能提高鋼的淬透性。 它對三種鋼的影響差不多，對 En40B 的影響大些。 釩 （ V） 能細(xì)化晶粒，提高鋼的強度和韌性，提高鋼的耐磨性和熱硬性以及回火穩(wěn)定性。 它只存在于 En40B 中，它 彌補了 En40B 中不含鎳的不足。 由于三種材料的含合金元素的種類和數(shù)量差不多， 它們的熱處理工藝幾乎相同。 4、 En40B 常用釬尾的熱處理工藝分析 En27、 En30B、 En40B 三種材料都能滿足釬尾的使用性能，三者 由于所含元素相近，熱處理工藝差不多，僅在滲碳時間長短、碳勢高低和回火溫度、時間上 有些差異。為了工藝分析的全面，現(xiàn)針對 公司里的 材料為 En40B 長度為 550mm 的常用釬尾 進(jìn)行熱處理工藝分析 。 其工藝流程為：鍛造坯料 去應(yīng) 力退火 機械加工 滲碳 直接淬火 低溫回火 校直 時效處理 拋丸 精磨。 4.1 去應(yīng)力退火 坯料經(jīng)鍛造后，為消除鍛 件中的殘余應(yīng)力，釬尾的預(yù)先熱處理采用去應(yīng)力退火， 去應(yīng)力退火在箱式電阻爐中進(jìn)行。將坯料 緩慢加熱到 600 650之間，保溫 4 6 小時，然后隨爐冷卻到室溫。退火除了能 消除殘余應(yīng)力外，還 大幅度降低強度和硬度，細(xì)化晶粒，均勻成分，使其硬度達(dá)到 HRC21 27 范圍，便于機械加工，并為以后的最終熱處理作好準(zhǔn)備。 4.2 滲碳 +直接淬火 4.2.1 滲碳 因為材料為 En40B 的合金結(jié)構(gòu)鋼屬于低碳合金鋼，為了 滿足 釬尾的表面具有高的強度、硬度和耐磨性，釬尾的心部有很好的韌性，可 采取滲碳工藝。 滲碳工藝屬于化學(xué)熱處理的一種，化學(xué)熱處理是把鋼制工件放置于某種化學(xué)介質(zhì)中，通過加熱和保溫，使化學(xué)介質(zhì)中某些元素滲入到工件表層，從而改變表層的化學(xué)成分，使心部與表層具有不同的組織與力學(xué)性能。 7 化學(xué)熱處理有許多種，而 我們公司只選擇滲碳工藝的化學(xué)熱處理而不選擇其他的原因有很多。 比 如選擇滲碳而不選擇滲氮原因就有兩大方面：一方面，從工藝過程和處理后的性能來說，材料為 En40B 的鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.20 0.28，大部分屬于低碳鋼，為了達(dá)到釬尾的使用性能一般是滲碳，而滲氮工藝多數(shù)是對中、高碳鋼而言的 ；滲碳的溫度是930 10，而滲氮的工藝溫度只為 520 10，在滲碳工藝溫度下鋼 被加熱 處于單一的奧氏體區(qū)，其組織轉(zhuǎn)變?nèi)菀走M(jìn)行；滲碳的時間為 3 9 小時，而滲氮時間要為 20 50 小時，滲氮的生產(chǎn)周期較長，使生產(chǎn)效率大大降低；雖然 滲氮后釬尾表面具有高硬度、高耐磨性和耐腐蝕性，滲碳后釬尾只具有高硬度、高耐磨性，但是我們使用的釬尾的材料 En40B 中含有大量的鉻元素，鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3.00 3.50，含鉻高的鋼 ， 其抗腐蝕性大大增加，材料 En40B 中所含的合金元素間接使它的抗腐蝕性增加，如鉬；滲碳的釬尾能承受較大的沖擊力，而滲氮后的釬尾所能承受的沖擊較小，對于鑿巖機上的釬尾來說本身就要承受很大的沖擊；從這個方面考慮選擇滲碳工藝較好。另一方面， 從公司現(xiàn)有的熱處理設(shè)備來考慮，公司擁有的熱處理設(shè)備為國產(chǎn)的可控氣氛箱式多用爐，一些控制程序不夠準(zhǔn)確 ，控制系統(tǒng)也不太靈活，爐內(nèi)的氣氛要靠人工調(diào)節(jié)控制， 對于其他的化學(xué)熱處理來說熱處理設(shè)備要求都較高，公司的設(shè)備最好是進(jìn)行滲碳工藝。由以上兩方面，釬尾的化學(xué)熱處理因此選擇滲碳工藝。 滲碳是把低碳合金鋼制的釬尾 放 置于富 含 碳 原子 的活性介質(zhì)中，加熱到 850 950，保溫數(shù)小時，使?jié)B碳介質(zhì)在工件表面上產(chǎn)生活性碳原子，經(jīng)過表面吸收和擴散而滲入工件的表層，從而使表層的含碳量達(dá)到 0.8 以上的熱處理工藝。 滲碳前，應(yīng)對釬尾的尺寸精度和表面狀況進(jìn)行檢驗，形狀尺寸必須符合圖紙要求，滲碳部位的尺寸應(yīng)留有適當(dāng)?shù)哪ハ骷庸び嗔?。滲碳部位 的表面必須潔凈，不能有氧化皮、銹斑、油污，以免造成滲碳不均勻和淬火后出現(xiàn)軟點等缺陷。在滲碳表面不能有裂紋、深的刀痕、劃傷或碰傷的明顯痕跡。表面上的裂紋、深的刀痕或劃痕，在淬火過程中或磨削過程中，都會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，形成裂紋源 ，而使?jié)B碳表面出現(xiàn)淬火裂紋或磨削裂紋，造成釬尾的報廢。 在檢查合格和清洗結(jié)束后，需要在釬尾的供水孔處插入棉繩，因為釬尾供水孔處也要受到礦水的沖刷，它也需要有一定硬度和耐蝕性，供水孔處在滲碳時 ，滲碳劑難以 達(dá)到內(nèi)部，棉繩起到 引碳的作用，使其也能滿足需要。在以上都準(zhǔn)備好后，就可以 把 釬尾 裝入到料筐。為了使釬尾的變形小和滲碳效果達(dá)到較好，釬尾應(yīng)垂直吊掛在料筐中，釬尾與釬尾之間均有一定的間隙。為了使?jié)B碳均勻，一般每爐可裝 60 根 T38 的 、常用 長 度 為 550mm 8 的小釬尾，同時 攜帶兩個試樣塊。因為裝爐量對釬尾變形量有很大影響，裝爐量過多時會產(chǎn)生滲碳、淬火加熱和冷卻的不均勻，導(dǎo)致加熱是釬尾各部分 加熱 溫度不均勻，體積膨脹不一致，使變形加大。同樣，在風(fēng)冷過程中會使釬尾各部分冷卻不同時性增加，內(nèi)應(yīng)力增加，變形量加大， 因此裝爐量不益過多， 優(yōu) 選 60 根為好。 待釬尾裝好筐后，等爐內(nèi)溫度高于 760 時， 即 可以進(jìn)行裝 爐。因為 只有爐溫 在 高于760時， 爐溫才能把可燃性氣體、液體通入爐內(nèi)或清除爐內(nèi)氣氛，否則會導(dǎo)致爆炸。同時考慮到公司的多用爐的一些設(shè)備的自動程序不靈活，在進(jìn)爐時需要人工操作進(jìn)行。 在進(jìn)爐前應(yīng)先點燃前爐門口處的煤氣噴嘴 內(nèi) 的煤氣，使在前爐門處形成火簾，其能 把爐內(nèi)的氣氛 和外部空氣隔絕，防止在開啟爐門時，爐內(nèi)外的氣氛壓力差過大 ，導(dǎo)致爐內(nèi)的火源噴出?；鸷?在 形成后，在各個部位的指示 燈亮起的前提下，原位燈亮起才能進(jìn)爐。 釬尾進(jìn)爐時爐內(nèi)溫度 一般 是設(shè)定的最大溫度，但因為釬尾進(jìn)爐后， 開啟爐門 時帶走了大量的熱和釬尾自身需要加熱，使?fàn)t 內(nèi) 溫 度 下 降 ， 所以 需要再 升溫。升溫的時間是 根據(jù)裝 爐量 的多少 來決定的，釬尾多時，需要的升溫時間較長；反之，則 升溫的時間 較短 。若釬尾量為 60 根時，一般的升溫時間 一個小時左右 ，才到達(dá)指定的溫度 925。 這個滲碳溫度比一般的滲碳的溫度（ 820左右）高 ， 其原因是：提高滲碳溫度，可以顯著地提高擴散系數(shù)。當(dāng)滲碳溫度從 920升高到 1000是擴散系數(shù)就可以提高 1.7 倍以上，所以提高滲碳溫度就能提高滲速，縮短滲碳時間；此外，由于溫度越高，碳原子從表面向內(nèi)部的擴散遷移速度也越高，因而 從表及里碳濃度梯度就必定趨于平緩。隨著滲碳溫度的 提高， Fe原子自 擴散加劇，使鋼件表面脫位原子和空穴數(shù)增多，更有利于表面吸收 和溶解碳原子。同時，溫度升高也增加奧氏體對碳的溶解度，此外，提高滲碳溫度還能降低合金碳化物的穩(wěn)定性，使碳化物溶解到奧氏體中，碳原子從碳化物中解脫出來成為自由狀態(tài) ，有利于擴散增加 奧氏體的溶 解 碳 原子 能力。由此可見，提高滲碳溫度，不僅能提高滲碳速度、增加滲層深度、減緩濃度梯度的變化，而且也能提高 滲層的碳濃度。因為滲碳溫度升高后，表面吸收碳原子的能力增強，加快了碳原子的擴散。具體如圖 2 所示 9 綜上所述，滲碳溫度的提高 ，雖然可以加快滲碳速度 、縮短生產(chǎn) 周期，但過高的溫度會 引起奧氏體鋼的晶粒粗大，增加零件變形，降低設(shè)備及夾具的壽命，同時滲碳后如果直接淬火，滲層中殘余奧氏體較多。在實際生產(chǎn)中 ，綜合考慮以上因素，一般選用的滲碳溫度為 900 950之間。 此外，又因為鋼在 900 950下長期保持滲碳后，其奧氏體晶粒度在 6 級以上，有利于零件滲碳后采用直接淬火，因為細(xì)晶粒奧氏體淬火后才能獲得高強韌性的細(xì)晶粒馬氏體組織。 若滲碳后 ， 鋼的奧氏體晶粒粗大，零件滲碳后必須重新加熱，借助 相變細(xì)化鋼的晶粒后才能進(jìn)行淬火，這不僅增加能源的消耗，延長了生產(chǎn)周期，而且也降低 滲碳淬火零件的某些質(zhì)量，例如增加釬尾表面的氧化、脫碳、硬度的不均勻性和變形等。 當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定值 925后， 即可 向爐內(nèi)通入丙酮，設(shè)定爐內(nèi)的滲碳碳勢，并調(diào)節(jié)爐內(nèi)的氣氛，開始進(jìn)入滲碳保溫階段。丙酮是作為滲碳劑 ，我們所用的滲碳介質(zhì)是丙酮、 甲醇 和氮氣 ，甲醇高溫分解后相當(dāng)于稀釋氣體做載體，丙酮高溫分解后，作為滲碳 劑 ，此外，在實際生產(chǎn)中，有時要通過調(diào)節(jié)氮氣的流量來稀釋爐內(nèi)氣體濃度。當(dāng)打開丙酮后，由于滲碳溫度為 925，會有一部分丙酮不能充分分解，在釬尾表面形成碳黑，影響碳勢控制， 10 所以在最初時間爐內(nèi)的碳勢會 較高。 滲碳時氣氛的碳勢反映爐氣的滲碳能力，碳勢高表示它在單位時間內(nèi)放出的活性碳原子的數(shù)量多，正常情況下，滲碳釬尾表面吸收的碳原子就多，滲層含碳量也就很高；同時，濃度梯度大，可以提高滲碳速度。但是過高的碳勢會在滲碳層形成網(wǎng)狀碳化物，使 滲碳層的脆性增大，這樣是不允許的。為了使碳勢對滲碳過程產(chǎn)生有利的綜合效果，我們進(jìn)行分段控制爐氣的碳勢來對釬尾進(jìn)行滲碳，即 把滲碳時間分為兩個階段，第一階段盡可能地提高碳勢，因為這時釬尾的 吸 收 碳 原子 的能力很強，不易產(chǎn)生碳黑，碳勢高可使 滲 碳層表面的濃度梯度大，有利于進(jìn)行擴散，并提高滲碳速度， 此階段稱作強滲期；第二階段 選擇較低的碳勢，使 碳原子由滲層表面向內(nèi)擴散，以降低滲層表面的含碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并增加滲層的深度，此階段稱為擴散期。 第一階段：強滲期 溫度為 925，保溫時間為 3 小時，滲碳的碳勢設(shè)定為 碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.85，實際的碳勢需要在 碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 0.70 0.80之間，由于公司的多用爐的性能有些差，甲醇和丙酮的實際流量的調(diào)節(jié)波動有些大，我們在實際生產(chǎn)中把碳勢的設(shè)定值提高為 0.85。強滲的目的是為了在滲碳層建立高的濃度梯度，提高碳原子在滲碳過程中的擴散速度即滲碳速度，所以采用高碳勢的爐氣 ，通?？刂频臓t內(nèi)的碳勢是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.75左右。 保溫時間為 3 小時，是因為釬尾的材料 En40B 的合金鋼中含有合金元素釩、鉬等強碳化物形成元素，這些元素能形成難以溶解的合金碳化物，有效地阻止了奧氏體晶粒合并長大 ，從而有可能提高滲碳溫度，加快滲入速度，縮短滲碳時間。同時，它也能使碳濃度梯度趨于平穩(wěn)。滲碳保溫時間主要取決于釬尾的滲碳要求獲得的滲層厚度，我們所需的釬尾的滲碳層厚度要為 0.7 1.2mm 之間。在滲碳劑滲碳能力一定的條件下，滲碳層厚度是溫度和時間的函數(shù)，在相同的滲碳溫度下，滲層厚度隨時間的延長而增加 ，滲碳層的厚度與時間呈拋物線關(guān)系，如圖 3 所示，強滲期 的 速度較快。 11 在設(shè)定爐內(nèi)碳勢后，為了更準(zhǔn)確得了解爐內(nèi)的實際碳勢的值，要測量控制爐內(nèi)的碳勢，目的是為了保證滲碳層達(dá)到技術(shù)要求的碳濃度，滲碳過程高效和順利地進(jìn)行。若爐內(nèi)碳勢過低，則滲碳層含碳量會低于技術(shù)要求，并降低滲碳速度。反之，碳勢過高，又會使?jié)B碳層含碳量高于技術(shù)要求或在釬尾表面出現(xiàn)碳黑，使?jié)B碳層表面的含碳量和深度不均勻，阻止?jié)B碳過程。 測量控制爐氣碳勢的方法較多，因為 我們所用的多用爐的設(shè)備有一些陳舊，爐子的先進(jìn)性有點不足等特點，我們主要測量碳勢的方法是氧 探頭控制法和利用高頻紅外碳 、 硫分析儀分析含碳量 （鋼箔稱重法） 的方法。氧探頭控制法是借助安裝在可控氣氛多用爐內(nèi)的氧探頭，直接測量爐氣中微量氧，并借助爐氣調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)控制向可控氣氛多用爐 內(nèi)送給富化氣的量，實現(xiàn)對爐氣碳勢的控制。 利用高頻紅外碳 、 硫分析儀的方法，即是利用低碳鋼箔 測量的方法 ，鋼箔的厚度小于 0.2mm，長度在 100 mm 左右，把鋼箔 放入爐內(nèi)進(jìn)行滲碳，滲碳時間在 25 45 分鐘之間， 取出后稱取一定量的鋼箔片， 利用分析儀分析含碳量。 這種方法是在一定的滲碳?xì)夥蘸蜐B碳溫度下，放入的鋼箔很薄，可以近似把它的滲碳過程 看作純界面過程，并認(rèn)為鋼箔內(nèi)表面和心部的碳含量一致。 這種方法可以標(biāo)定和檢測氧探頭控制法的準(zhǔn)確。當(dāng)測量 出的鋼箔的含碳量高于設(shè)定值時，我們需要降低甲醇的流量，增大氮氣的流量來降低爐內(nèi)的氣氛的濃度；反之，則相反。通常在實際生產(chǎn)中，強滲期我們需要做 2 3 個鋼箔來進(jìn)行檢測碳勢，這樣可以使 強滲期順利進(jìn)行。 12 第二階段：擴散期 在 強滲期保溫 3 小時后，我們要重新設(shè)定爐內(nèi)的碳勢，一般擴散期 En40B 的碳勢設(shè)定為碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.65， 實際的碳勢要求碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 0.500.60之間， 溫度保持不變，保溫時間為 3.5 小時。釬 尾經(jīng)過 3 小時的強滲期的滲碳后，其表面層內(nèi)的碳濃度較高，應(yīng)減少表面爐內(nèi)的含碳量，加大亞共析區(qū)，使碳濃度梯度平緩。擴散期的目的是降低表面的含碳量，要求爐氣的碳勢低，釬尾表面的談原子向內(nèi)部擴散，因此采用減少滲碳劑的滴量的方法來改變，一般 丙酮的滴入量為強滲階段的三分之一到二分之一，這樣可獲得理想的表面碳濃度和滲碳層深度。因為 En40B 材料的釬尾的滲碳層要求為 0.7 1.2mm 之間，滲碳濃度降低，使?jié)B碳時間增大，因此把擴散的滲碳時間提高到3.5 小時。擴散期的其它原因和操作都和強滲期基本一致。 4.2.2 直接淬火 擴散 保溫時間結(jié)束后，滲碳基本完成。由于 材料為 En40B 的合金結(jié)構(gòu)鋼中含有的釩、鉬等強碳化物，這些元素不僅影響了滲碳的滲碳參數(shù)，還可以使這種鋼滲碳后直接進(jìn)行淬火，不必正火或雙重淬火，簡化熱處理工藝，同時釬尾的變形和開裂的傾向也很小。雖然直接淬火不能細(xì)化鋼的晶粒，但是由于這種鋼含有釩，釩元素的細(xì)化晶粒的效果最顯著。又因為 En40B 的釬尾的 熱處理要求為：表面最大硬度為 698 772HV，中心的硬度為 370470HV，淬火后的顯微組織為淬火馬氏體，心部為（低）中碳馬氏體和貝氏體。其使用的性能要求不是很高，釬尾的形狀不 復(fù)雜，表面硬度要求不太高，所以可以對這種材料的釬尾進(jìn)行直接淬火。 若滲碳后 直接進(jìn)行空冷淬火，雖然這樣簡單易于操作，但其缺點是表面會形成貧碳層，影響釬尾的使用性能，因此出爐后要采用風(fēng)冷加速冷卻速度，以減少表面的脫碳現(xiàn)象。 直接淬火和滲碳的工藝曲線圖如 圖 4 所示： 圖 4 直接淬火和滲碳的工藝曲線圖 在風(fēng)機中冷卻一個小時左右，釬尾試樣拿出經(jīng)過金相分析 和硬度實驗 ，其金相顯微組滲碳 925 溫度/ 風(fēng)冷淬火 強滲期 3h 擴散期 3.5h 時間（ h） 13 織如圖 5： 圖 5 滲碳后直接淬火的金相顯微組織 其組織滿足滲碳淬火后的要求： 滲碳深度為 0.3048 0.712mm時，維氏硬度為 700HV左右，外表面組織為淬火馬氏體，局部脫碳允許小于 0.1mm，深度為 0.7112 0.414mm 時，維氏硬度為 600HV，不允許形成網(wǎng)狀滲碳體，深度為 1.0160 1.393mm 時，維氏硬度為500HV，心部為低（中）碳馬氏體和貝氏體。 4.2.3 滲碳空淬后常見的缺陷及對策 一個熱處理工藝無論多么的完整，在實際生產(chǎn)中都會有一些缺陷存在，我們所做的工藝也是如此，常見的缺陷是：表層粗大塊狀或網(wǎng)狀碳化物、表層大量殘余奧氏體、表面非馬氏體組織、表面硬度低 、釬尾 畸變過量、 滲碳層深度不足、滲層不均勻、表面脫碳。 4.2.3.1 表面粗大塊狀或網(wǎng)狀碳化物 其主要形成原因是：滲碳劑活性太高，滲碳保溫時間過長。我們可以通過降低滲劑的活性；當(dāng)要求滲層較深時 保溫后期適當(dāng)降低滲劑的活性，如我們采取的分段控制爐氣的碳勢的方法。若在生產(chǎn)中造成此缺陷，我們可以通過降低碳勢氣氛下延長保溫時間，重新淬火，或者高溫加熱擴散后淬火的方法來返修。 4.2.3.2 表層大量殘余奧氏體 主要形成原因是：淬火溫度過高，奧氏體中碳及合金元素含量較高?？刹捎媒档蜐B劑活性、降低直接淬火或重新加熱淬火 的溫度來防止。我們生產(chǎn)的 材料 En40B 釬尾 就是采用降低滲劑的活性的方法來防止殘余奧氏體的大量出現(xiàn)的。如果此缺陷出現(xiàn)，可以通過冷處理；高溫回火后，重新加熱淬火；采用合適的加熱溫度，重新淬火等方法來減少殘余奧氏體的量。 4.2.3.3 表面非馬氏體組織 形成原因：滲碳介質(zhì)中氧 原子 向鋼中擴散，在晶界上形成鉻、錳等元素的氧化物，致使該處合金元素貧化，淬透性降低，淬火后出現(xiàn)黑色網(wǎng)狀組織。一般采用控制爐內(nèi)介質(zhì)成分、降低氧的含量、提高淬火冷卻速度來防止。 4.2.3.4 表面硬度低 形成原因：表面碳濃度低，殘余奧氏體過多， 表面黑色網(wǎng)狀組織?？梢酝ㄟ^控制爐內(nèi)介質(zhì)的含量，控制好淬火冷卻速度來防止。若形成，表面碳濃度低的，可 14 以進(jìn)行補滲；殘余奧氏體多的，可采用高溫回火或淬火后補一次冷處理來消除殘余奧氏體。 4.2.3.5 釬尾畸變過量 形成原因：滲碳時裝爐方法或夾具選擇不當(dāng)；滲碳溫度太高，爐氣、爐 內(nèi)的 壓 力 不均勻和不穩(wěn)定；直接淬火溫度過高；零件上滲碳層的濃度和深度不均勻；淬火時造成無規(guī)則翹曲。防止方法：釬尾應(yīng)垂直吊放， 釬尾 在夾具上要平穩(wěn)不能有預(yù)應(yīng)力，出爐操作要平穩(wěn)，爐溫要適當(dāng)。 4.2.3.6 滲層深度不足 形成原因：爐溫低、保溫時間 短、滲劑濃度低、裝爐 的數(shù) 量過多、工件表面有氧化皮或積碳 。針對形成原因，可通過調(diào)整滲碳溫度、時間、滴量和 爐子的密封性； 釬尾 應(yīng)清理干凈；滲層過薄時 可以 通過 補滲等方法來防止和返修。 4.2.3.7 滲層深度不均勻 形成原因：爐溫不均勻；爐內(nèi)氣氛循環(huán)不良；碳黑在表面沉積；釬尾 表面粗糙度不一致； 釬尾 吊掛疏密不均勻； 釬尾 表面有銹斑、油污等?？梢酝ㄟ^滲碳前嚴(yán)格清洗 釬尾 ；清理爐內(nèi)積碳； 釬尾 在 裝夾時應(yīng)均勻分布間隙大小相等；經(jīng)常檢驗爐溫均勻性；經(jīng)常檢驗爐溫、爐氣 及裝爐情況。 4.2.3.8 表面脫碳 表面脫碳是我們經(jīng)常遇到的 問題，對于以上的缺陷我們可以防止，但表面脫碳有時卻不行。 表面脫碳是鋼材加熱時，其表面層的含碳量會由于與空氣中的氧發(fā)生化學(xué)作用而減少的現(xiàn)象。加熱溫度越高，時間越長，脫碳層越深。實際上，當(dāng)加熱溫度達(dá)到 800 850時，鋼的表面 脫碳已經(jīng)開始明顯。我們滲碳工藝時間是 925，產(chǎn)生這種缺陷的可能較大，此外， 出爐時間過長，使釬尾在空氣中停留的時間過長， En40B 的材料中有些元素 例如 硅 元素 可以促進(jìn)脫碳 ，這些都可導(dǎo)致脫碳。 脫碳對釬尾的危害是嚴(yán)重的，由于脫碳，它的表面硬度明顯地下降，并變得粗糙，抗疲勞強度也顯著下降。據(jù) 資料介紹，脫碳的鋼材的疲勞強度只有光滑鋼材的四分之一左右，脫碳將導(dǎo)致釬尾壽命大大降低。 脫碳嚴(yán)重的可造成全部脫碳，其顯微組織圖如 圖 6： 全部脫 15 圖 6 全脫碳的顯微組織 碳的只有通過拋丸后再重新滲碳的方 法來改變。脫碳不嚴(yán)重的只是部分脫碳，其顯微組織圖如圖 7 和硬度值如表 2，表面有 0.2 mm 的脫碳層。 圖 7 部分脫碳的顯微組織 表 2 表面有 0.2mm 脫碳層的釬尾的深度及硬度值 測量距離（ mm） 硬度值（ HV10） 0.25 153 0.50 201 0.75 202 1.00 201 1.25 193 心部 168 16 其滲碳層組織為珠光體，心部組織為珠光體、鐵素體和細(xì)顆粒碳化物。 由于公司的設(shè)備自動化程度不高，許多都是人工操作的，在實際操作中不免有人為或設(shè)備失的情況，這些都會使出爐的時間過長，造成表面脫碳。我們 大 多數(shù) 可以 采用補滲和拋丸后再重新滲碳的方法來補救。 4.3 低溫 回火 風(fēng)冷一個小時后，為了合理地調(diào)整力學(xué)性能，使釬尾滿足使用性能要求；穩(wěn)定組織，使釬尾在使用過程中不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，從而保證釬尾的形狀、尺寸不變；降低或消除內(nèi)應(yīng)力， 以減少釬尾的變形并防止開裂；減少殘余奧氏體的含量。我們采用 先低溫 回火。由于En40B 的使用性能不高， 回火后組織只要是回火馬氏體就能滿足它的要求，故采用低溫回火，般回火溫度為 200?；鼗鸨貢r間為 2 小時，回火需要保溫一段時間，目的是使釬尾心部和表面溫度均勻一致，保證組織轉(zhuǎn)變的充分進(jìn)行，以及淬火應(yīng)力得到充分消除。如果回火時間過短，則會導(dǎo)致回火不充分，會使釬尾在磨削時出現(xiàn)裂紋；但是回火時間過長又會提高生產(chǎn)成本，降低設(shè)備使用率?？紤]以上方面，我們采取保溫 2 小時。保溫 2 小時后出爐空冷至室溫。 低溫 回火后，由于我們公司的設(shè)備不足，常采用淬火后 卸筐，再重新裝筐的方法，通?；鼗?時釬尾采用堆放在一料板上，料板的平整也在一定程度上影響到釬尾的變形情況 。釬尾的變形在前一部的熱處理中已經(jīng)存在，這樣增大了變形。為了使以后的磨削順利進(jìn)行，我們通常采用校直釬尾。 校直釬尾是一種要求很大勞動強度的步驟， 我們利用手動壓力機進(jìn)行校直，手動壓力機是通過人工操作設(shè)備上的手輪控制螺桿及壓頭的上升和下降，再借助百分表找到釬尾的最大變形量處，再在此處 進(jìn)行加壓，數(shù)秒后卸去 壓力，使釬尾的變形量減小到 0.15mm 以內(nèi)， 才能滿足磨削 要求。 4.4 時效處理 由于釬尾經(jīng)過校直后，其內(nèi)部組織有的發(fā)生了變化，在加壓時其內(nèi)應(yīng)力 增加；同時考慮到材料經(jīng)過滲碳后其表面含碳量增加，相 當(dāng)于高碳的合金鋼，它的一些性能低溫回火不能消除，故采用時效處理。 時效處理的目的是：使馬氏體正方度降低、殘余奧氏體穩(wěn)定和消除殘余應(yīng)力及校直時所產(chǎn)生的應(yīng)力。 時效處理的溫度和低溫 回火一樣為 200，理論上規(guī)定時效處理的時間為 5 小時，考慮到生產(chǎn)效率及釬尾的使用性能，我們通常 只保溫 3 小時。 經(jīng) 金 相 分 析 和 硬 度 實 驗 ， 其 金 相 顯 微 組 織 （ 放 大 100 倍） 如 圖 8 ： 17 圖 8 回火后的顯微組織 其組織為：表面組織為馬氏體，心部為回火馬氏體和貝氏體，表層組織殘余奧氏體的含量不超過 20， 表面 局部總脫碳層深度小于 0.12mm，全脫碳層及晶界氧化深度均不超過0.25mm，表面不允許形成網(wǎng)狀滲碳體?；鼗鸷蟊砻孀畲笥捕葹?570 660HV，最小硬度為450 550HV，中心硬度為 370 470HV。 保溫三小時后，空冷至室溫。然后進(jìn)行拋丸處理，拋丸后就可進(jìn)行精加工 磨削。 整個熱處理工藝曲線簡圖 見圖 9： 圖 9 材料 En40B 釬尾的熱處理工藝曲線簡圖 5. En40B 常用釬尾的新的熱處理工藝 經(jīng)過以上對公司的 釬尾的熱處理工藝的分析，我雖然了解到 En40B 釬尾的熱處理工藝和各個工藝參數(shù)的選定的原因，但是也發(fā)現(xiàn)了釬尾在這個熱處理過程中有的工藝缺陷。根據(jù)以上的釬尾的工作環(huán)境和服役條件的了解 和工藝的分析，以及我在有關(guān)資料的收集，現(xiàn)對材料的 En40B 釬尾做 出新的熱處理工藝：滲碳 高溫回火 等溫淬火 低溫回火。 5.1 滲碳 滲碳 925 溫度/ 時間（ h） 強滲期3h 擴散期 3.5h 風(fēng)冷 淬火 低溫 回火 200 2 h 3h 時效處理 200 18 滲碳的原因、目的和過程都與原來的工藝差不多， 滲碳的各個工藝參數(shù)的取得都和原來的取得的原因 一樣， 只是它的工藝參數(shù)有一些差異。其工藝曲線簡圖如圖 10 圖 10 滲碳工藝曲線簡圖 采 用滲碳后油冷，并進(jìn)行 1 2h 高溫回火，可得到回火索氏體組織，可作為等溫淬火的預(yù)備組織。 雖然這個工藝比原來的工藝繁瑣，但是滲碳后油冷減少了原來工藝形成表面脫碳的傾向。 5.2 等溫淬火 等溫 淬火是把加熱的釬尾投入到溫度稍高于 MS點 鹽浴槽中 ,保溫 足夠的時間 (一般為半小時以上 )發(fā)生下貝氏體轉(zhuǎn)變后出爐空冷 ,在最初加熱時采取預(yù)熱是為了使釬尾的所熱均勻。 其等溫淬火的工藝簡圖如圖 11 空冷 油 冷 1 2h 高溫回火600 650 1hh 4 8h 滲碳 880 930 溫度/ 時間 /h 19 圖 11 等溫淬火工藝曲線簡圖 等溫淬火不僅能保證釬尾表面獲得比直接淬火高得多的 殘余壓應(yīng)力 ,而且更重要的是由于滲碳的結(jié)果 ,使 En40B鋼的 MS點降低 120以上 ,因而在等溫過程