渗碳淬火件、气体软氮化件质量提高的途径

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1、1渗碳淬火件、气体软氮化件质量提高的途径渗碳淬火件、气体软氮化件质量提高的途径李志义李志义1、田荣华、田荣华2、葛友海、葛友海3、胡培中、胡培中4（1、重庆长江电炉厂、重庆海森公司电话、重庆长江电炉厂、重庆海森公司电话 023-68120865（宅） 、13002366762 2、重庆青山机械厂、重庆青山机械厂 邮编邮编 402761 3、重庆红岩汽车厂车轿厂、重庆红岩汽车厂车轿厂 邮编邮编 402300 4.重庆机车厂重庆机车厂 邮编邮编 400055） 前言：伴随着改革开放、入世。所制造的产品能否打入国际先进国家市场，渗碳淬火件、气体软氮化 件质量要求越来越高。本文只着重讨论工艺问题，预祝

2、：采用世界一流的设备，只有采用世界第一流的工 艺，才能生产出世界第一流的产品。本人认为第一流的指标：以渗碳或碳氮共渗为例。表面硬度 HRC61 以 上（HV1 转换） ，非马3m （浅腐蚀） 、产品表面光亮，无碳黑，碳化物极度弥散。马氏体组织 1-2 级， 残 A8%以下，变形极小，不磨齿或很少磨齿。硫化物、氧化物1 级，同炉同钢号同形状尺寸产品硬度波 动1HRC。 一、怎样使渗碳淬火件质量提高一、怎样使渗碳淬火件质量提高 1、渗碳淬火件表面硬度和非马氏体组织（1）： 在渗碳淬火件表面层中经常出现连续或不连续的网状或块状黑色组织，此处恰好不是表层压应力最 大的区域，已被公认是由于内氧化而贫合金

3、化元素导致形成屈氏体类组织，也被称为非马氏体组织。一旦 形成此类组织，其后果是降低表面硬度和耐磨性以及疲劳极限。因此国内外知名的车辆制造厂家大都对非 马氏体层厚度有明确的规定，如德国波尔特、奔驰、宝马公司要求此层厚度必须在 3m 以下。非理由是： 渗碳出来要磨齿：磨齿将压应力转成拉压力。喷丸强化，该压应力在高速旋转生热中衰减。不磨齿不 行？不磨齿是现代生产齿轮的热门话题。采用多用炉生产的齿轮不磨齿的厂家，重庆地区有重庆青山工业 公司等（3.7）。缩短渗碳时间，碳化物极度弥散节省大量机加工费用，领先于：世界任何先进国家。 1.1.1 关于非马氏体组织 渗碳淬火件的非马氏体组织包括表面脱碳形成的铁

4、素体，表层沿晶界形成的屈氏体，有的钢种是贝氏 体。非马氏体组织层和钢表面含碳量关系的示意图 1。有此种组织工件的表层含碳量由表及里成逐渐升高趋 势，到最高值后在逐步降至心部含碳量。与最大含碳量位置相对应也是淬火后最大压应力的地方。 1.1.2非马氏体组织的范围：在渗碳过程中，由于内氧化的原因，使渗体表面碳含量下降产生非马氏组织， 这些组织初生铁素体，初生屈氏体（连成一片称黑带，未连成一片称黑网） ，部分钢种的贝氏体。均为非马 氏体组织。如图 1：渗碳淬火钢非马氏体组织层和表层碳浓度的关系 M + M+Tr M+Ar+Tr M+Ar M+Ar+B 心部 F 最大含碳量含碳量（%）至表面距离/1.

5、1.3 相关的标准中国国标 GB/T8539-2000；1 级德国大众德国波尔舍、奔驰、宝马HRC58 渗层0.75 非马12m以上 0.75-2.25 非马20mHRC60以上非马 10mHRC61以上非马 3m（若用 HV1转换大约 HRC53）（HV1转换）金相浅腐蚀（HV1转换）金相浅腐蚀1.2 渗碳淬火件采用二次淬火，即在渗碳完成后在炉内空冷，而后重新加热再淬火。 使淬火组织细密、马氏体针较细残 A 下降（国标 400 倍金相测残 A 的缺陷：在 400 倍显微镜下，残 A 中的 大量的马氏体岛看不到、而硬度不低，磁性检测残 A 合格） 、变形小，耐磨性好；缺点：工艺流程时间太长。

6、热处理设备较差，内氧化增加。 1.3 渗碳气源的选择（2）：天然气丙烷丙酮） ；最成功的“超级渗碳气氛”是空气/甲烷基（9）。 1.4 渗碳过程中尽可能避免 CO Cad+CO2的渗碳机理：该机理必然是一边渗碳一边氧化。 1.5 直接生成无氧参加下的渗碳技术是近代新技术的热门课题。 1.5.1 目前能产生的无氧下渗碳的气源这些气源在一定条件下才能优化。 （务必注意优化措施） 甲烷 CH4 * Cad+H2 最早发现是苏联学者 1966 年，70 年代德国、美国学者 持同样观点 丙烷 C3 H8 C+2CH4 *3Cad+H2 C3 H8C2 H4+ H4Cad+CH4 * 3Cad+H2 C3

7、 H8C2 H2+ H2+ CH42Cad+CH4+2H2 * 3Cad+H2 乙烯 C2 H4Cad+CH4 * 2Cad+H2 乙炔 C2 H22Cad+H2德国易普森和法国汤姆森在低压真空炉内使用。2重庆地区的乙炔 C2H2也是天然气制造的。均存在含水、含硫指标。 要使无氧参加下渗碳技术达到最多的自由活性碳原子，气源必须要考虑含硫含水的控制： 英俄日德资料均对气源提出含硫控制，而且指出原料气充分除硫（8）。有的厂家勿略上述问题，已遭受 市场的冷落：有些进口设备厂家渐渐地退出中国市场。以空气密度 1.27.m-3，乙炔 1.17、甲烷 0.72、丙烷 1.9，可见甲烷最易裂解，不易在炉内存

8、在死角（10）。 1.5.2 优化这些气源的措施：水、含硫量控制越低越好。特别要强调的稳定性、可靠性控制。 由于城市天然气中含有水和有机硫、无机硫：而且波动很大以至于同一外国著名公司的不同作者，作 出不同的结论。有些教授只知用甲烷做试验而无水、硫介念（4）。对硫引起氧探头寿命的思路不明（5）， 重庆地区：（3）有机硫 30248mg/m3，无机硫 1070 mg/m3，水份露点1024。有时因天然气矿脱硫 设备检修，城市天然气无机硫高达 1100mg/m3。这时很多厂家就会停产，而采用天然气净化设备的厂家，只 需将再生时间缩短就可，无需停产。 古老的天然气资料 930以上裂解充分，随着温度的下

9、降不易充分裂解，现在呢？910渗碳长期、稳 定地无碳黑表面光亮。渗碳的表面硬度和非马氏体组均达到德国波尔舍、奔驰、宝马企业标准。 850860 CN 共渗表面也光亮、无碳黑。 （重庆綦江化肥厂、永川天然气研究所，因每周检测，而放 弃川维厂廖永康，将两种脱硫剂分段装的常温高效脱硫剂，资料我带来了） 。这种分装，使活性碳一次使用， 不便再生（活性碳再生温度 105、50 次再生报废） ，天然气含硫高要渗硫。对产品质量设备寿命，氧探头 寿命、耗气量增加影响很大。 1.5.3 采用真空低压渗碳技术：德国波尔舍、奔驰、宝马质量要求高的齿轮均采用这一技术，控制渗碳表面 硬度和非马组织和变形（渗碳后不再加工

10、齿面） 。重庆旺成、德国易普森；宜宾五粮液厂、法国汤姆森；唯 一缺点：先进设备较贵，生产量较低。 1.6 天然气的质量问题：当人们在研究各种气源渗碳时，并比较各种气源渗碳的结果而确认，天然气气源是 所有渗碳热处理气源中最好的气源1 9，它不仅仅是价廉，能大大降低成本（四川重型汽车制造厂采用净 化的天然气生产后单气源耗损年节约约 50 万元，一汽大众也取得相似效果） ，而且渗碳传输最快，保持较 高的有效碳势当量；（排除那部分能增加碳势，但进入渗碳件因氧参与下的内氧化，使渗碳速度较缓，活 力较差的碳势） ；表面含碳量最高，渗碳时间最短，渗碳件表面非马氏体组织的厚度和密度最低，一般均能 0.003m

11、m 以下2(浅腐蚀)、表面硬度HRC61 以上（HV1转换） ；碳化物极度弥散3（该文金属热处理 编辑将总硫 5mg/m3控制改为 20mg/m3控制） 。早在 70 年代市场上就有各式各样的脱硫设备、高效脱硫剂等。 含糊地讲：控制总硫，不讲脱有机硫和无机硫的深度，混淆两种硫实质上的差别，模糊技术实质带有商业 性的炒作，而且进入城市的天然气，其有机硫、无机硫，就具有差距很大的波动范围，须经受长期检测考 验，以防其偶然性的合格过关。 我国应用天然气是世界上最早的国家，有 1000 多年历史。广义地讲，天然气可分油成气、 （大庆等） 气成气（四川等） 、煤成气等。狭义地将煤成气（瓦斯）分出。对其成

12、因，气矿、天然气处理及脱硫厂等。 请参考11，本文不作介绍。1.6.1 城市民用天然气情况 民用天然气或称城市用天然气为 I 和 II 标准。III 标准当 H2S20mg/m3，也允许供用。（1）硫醇 RSH 甲硫醇 CH3SH 一般占有量 乙硫醇 C2H5SH 50-200mg/m3 （2）硫醚 RSR 甲硫醚 CH3SCH3 乙硫醚 C2H5SC2H5 10-100mg/m3 （3）二硫化碳 CS2 50mg/m3 （4）二硫化物 R-S2-R（甲二硫醚 CH3S2CH3） 50mg/m3 （5）氧硫化物 COS （羰基硫） 20mg/m3（6）噻吩 C4H4S国内天然气主要产地简介 产

13、地CH4C2H6C3H8C4H10C2H4CO2H2SH2N2CO有机硫C5H2 自贡97.11 0.880.2100.030.360.60.040.870.06 隆昌97.23 0.880.2100.021.140.20.090.040.02 永川97.17 1.150.350.030.210.310.090.240.09 重庆97.400.60.08001.140.071.590 泸州96.38 1.570.4200.20.990.110.230.15IIIIIIIV总硫 mg/m3150270480480H2Smg/m3620CO2%33天天然然气气技技术术要要求求（ （SY7514-8

14、8） ）质质量量指指标标水份无游离水重庆卧龙河进入城市天然气有机硫组成情况。有机硫经研究约 26 种：3重庆95.94 0.796 0.1270.370.0860.0520.512 重燃公司93.26 2.710.750.250.20911mg/m3 邢台（西气东输）95.44 1.768 0.2020.03920mg/m 3180mg/ m3 大庆99.75C2H85.621.93.31 大港76.97.64.0111.360.71 盘锦81.55.03.08.5 中坝89.91.720.546.65 聂中柴达木99.5 0.0350.45(非烃)1.4 四川丹棱97.250.010.171

15、.1118.45mg/m361.40.67mg/m3 邛崃96.63 1.760.220.49 20mg/m30.010.77150mg/ m3 垫江矿91.81 0.950.370.160.090.080.310.03 脱硫后97.48 1.120.300.180.020.11%0.070.180.06 卧龙河971.281 0.406608mg/m35.10%相当 782.6mg/m30.812260/460mg/m3 脱硫后971.281 0.40660mg/m30.812150/250mg/m3 注：由于天然气各成份的波动，下表只表示某一次的检测数据1.6.2 各种脱硫方法简介 1.6.2.1 常温 Fe203脱硫剂：标准/45072398-6.009-1998 1.6.2.1.1 高效：助容剂不同：泸州西南化工研究院：工作硫量25%。一般厂家达 7-8% 1.6.2.1.2 水分在脱硫过程中起介质作用: （1）Fe203H20+3H2S Fe203+3H20+5.2 千卡 （2）Fe2S3+3/202 Fe203H20+3S+47.1 千卡 这是一个脱硫再生反应连续进行，应注意温度为 30-60，最高不能超过 80，否则会产生硫升华和 自燃，造成脱硫剂及其设备损坏；温度超过 120失效，其结构发生变化，再生