盘形起动齿轮气体碳氮共渗

[摘要]采用中温气体碳氮共渗，取代20钢薄壁冲压齿轮组合的气体渗碳工艺，解决了摩托车盘形起动齿轮的热处理变形难题。表面硬度、渗层深度、端面跳动、锥面跳动都达到了技术要求。试验获得成功并已投入批量生产。产品经使用厂家在专用试验机上，进行表面抗“咬卡”性能试验，结果性能良好。
　　经试验确定，媒油通氨中温气体碳氮共渗为薄盘形齿轮的生产工艺。共渗温度为，815oC强渗，780oC均温扩散，出炉工件直接淬入80～120oC的热油，可获得足够的表面硬度78～83HRA,渗层深度0.3～0.5mm,较小的变形量≤0.30m。
　　根据工艺温度高低，选择适当的共渗剂，是取得试验成功的重要环节。
[主题词]盘形齿轮   碳氮共渗  中温   共渗剂

1   引言
　　摩托车盘形动齿轮组合，是用20钢板冲压成型的盘形齿轮与花键座相配合，经氩弧焊接而成。见图1。碗形外圆直径φ114mm、齿轮厚度3.2mm，表面硬度78～83HRA,渗层深度0.3～0.5mm,端面跳动0.30mm,15o锥面跳动0.30mm,要求整体化学热处理，内花键不允许有硬度。

　　根据图纸的技术要求，曾经试验了低温860～890℃薄层气体渗碳，硬度和层深均达到要求，但是变形量大为超差，端面跳动超过0.40mm，锥面跳动0.35mm;中温（815℃强渗、780℃扩散匀温）气体碳氮共渗[1]的20钢薄盘形起动齿轮组合，获得满意结果。本文下面详述。关于低温盐浴500～590oC硫氮碳共渗（LT工艺）[2]处理的齿轮变形较好，硬度和层深必须经过循环处理，改善齿轮表面的化学热渗的组织和性能的工件，才能满足技术要求[3]。该处不作赘述。
2  试验条件和工艺
2.1试验样件
　　产品零件，盘形起动齿轮组合，由２０钢板冲压成型的盘形齿轮与花键轴座焊接而成。经110～130℃×12h去应力处理。
2.2　　试验设备
　　气体碳氮共渗炉为RQ4－35－9D型滴控井式电阻炉；根据工件形状和尺寸，自行设计的专用吊筐；去应力油炉为SY2-9-3型油浴电阻炉；淬火油槽，清洗槽等均为生产车间应用的设备。
2.3　　测试仪器
　　试样的渗层深度，金相组织和硬度，用XJP-2A金相显微镜及HRS-150型数量洛氏硬度计检测。端面跳动和15^o锥面跳动，用千分表在盘形起动齿轮组合专用支架上测量。
2.4气体碳氮共渗工艺
2.4.1滴注式气体碳氮共渗
　　介质为三乙醇胺和甲醇、煤油，在工件入炉后经升温期到共渗期前，滴甲醇排气，到炉温升至共渗温度继续滴甲醇并加滴三乙醇胺，以便迅速排除炉内空气建立共渗气氛。排气时间到关闭排气阀，停止甲醇滴注改滴煤油，并加大三乙醇胺的量，保障炉内碳、氮势，促使工作表面获得要求的碳氮浓度、层深和表面硬度。共渗期完，抽检试样，测量断口层深和硬度，若有不合格项，则延长共渗期。达到技术要求时，调整滴量和炉压，进入扩散期。保温一定时间，降温至800℃均温后，工件出炉淬入热油（80℃以上）。150～170oC×1.5h回火。具体工艺曲线，见图２。

　　三乙醇胺作为气体碳氮共渗介质，在500℃以上按下面反应方程，提供活性碳氮原子：
(C₂H5_O)3N→2CH₄+3CO+HCN+3H₂
CH₄→2H₂+[C]
2HCN→H₂+2[C]+2[N]
2CO→CO₂+[C]
    三乙醇胺分解出来的CH₄、HCN、CO进一步反应，析出活性C、N原子渗入工件表面。为了提高渗层中的C、N含量，在共渗强渗阶段增滴媒油，往三乙醇胺中加入20%的尿素。
2.4.2煤油通氨气碳氮共渗
　　煤油裂解产生C原子，形成渗碳气氛，加上氨气裂解产生N原子形成氮源的气氛，就是工业上常用的煤油通氮共渗剂。工艺过程是工件装炉后，滴甲醇通氨排气升温，因为工件入炉时，带入大量空气进入炉膛，引起工件表面氧化，影响共渗层的均匀性。因此应尽快把含氧化性的CO₂、O2、H₂O等气体排出炉外[4]，为建立共渗气氛作好准备。炉温升到815℃时，增滴煤油，均温30min后建立起C、N共渗气氛，进入保温共渗期。此时关闭排气阀，增加煤油滴量为160～180滴/min，氨气增至0.15～0.20m3/h，关闭甲醇阀，调整压力为196～588Pa。因为炉压大小，明显地反映出炉子的气密性。炉内保持正压有利于排除废气，保持炉气稳定。保温时间到，抽检试样，决定是否进入扩散阶段。试样自炉中取出后，立即淬入油中，冷透磨出端面，在4%的硝酸酒清中腐蚀，用10X放大镜观察渗层厚度；在洛氏硬度上测试表面硬度。合格后降低煤油滴量为90--100滴/min，炉压降低到196～392Pa。保温一定时间后再抽试样检测，决定是否降温到780℃进行扩散均温。在扩散均温阶段，关闭煤油阀，防止煤油裂解不充分产生碳黑。同时打开甲醇阀门，控制滴量为100～140滴／min，氨气量调整为0.13～0.15m3/h,炉压降至98～392Pa,此阶段完成后，争断电源，先关氨阀，再关甲醇阀，同时打开氨气放空阀。然后工件出炉，淬入80～120℃的热油中。
　　工件经过强渗期，表面已达到要求的硬度和渗层深度，此时表面的C、N浓度很高，自表面向内的梯度较大。为了使表面的C、N浓度适当减小，浓度梯度尽量平缓，减少内应力，减小零件变形。为此降低扩散均温期的温度，使工件均匀保温同时达到富有C、N的表面层内部扩散的目的。
　　根据吸收扩散平衡原理，在扩散期减少煤油滴量和氨气供应量，防止产生碳黑降代氨的分解率。具体工艺曲线，见图3。

　　图3和图2两种工艺比较，煤油通氨比滴注三乙醇胺共渗时间少得多，主要由于氨气的加入提高了共渗速度。因为氨可以产生促时渗碳和渗氮的氰氢酸，其反应方程为：
　　　　　NH₃+CH₄→3H₂+HCN
          NH₃+CO→H₂O+HCN
    氰氢酸极易分解出碳、氮原子，使共渗气氛活性增加：
　　　　　HCN→1/2H₂+[C]+[N]
    所以氨气的通入，对共渗速度影响很大。氨气的比例越大，碳氮浓度越高，可以获得最大的渗层深度和硬度。缺点是增加了氨控设备。
3 试验结果与分析
3.1表面化学热处理工艺选择试验
　　为了解决20钢薄盘形齿轮组合淬火变形问题，本研究试验了低温薄层气体渗碳；不同温度（860℃、830℃、815℃）不同冷却介质（碱水、油、热油）的煤油通氨气体碳氮共渗；滴注式三乙醇胺、甲醇、煤油为共渗剂的碳氮共渗方法、其试验结果，见表1。
　　表1结果表明，低温薄层气体渗碳，层深为0.39～0.40mm，表面硬度为81～82HRA均合格，变形量：锥面尚好0.27～0.28mm,端面大为超差，达到0.38～0.46mm。煤油通氨气体碳氮共渗工艺；860℃强渗→810℃均温→淬碱水，层深0.38～0.42mm,表面硬度81～83HRA合格，变形锥面0.39～0.40mm,端面1.0～1.2mm超差很多。主要因为碱水的淬火激烈度很大，导致冷却速度过快，应力过大，使端面翘曲变形[5]；860℃强渗→810℃均温→淬油，层深和表面硬度合格，淬火变形仍超差，锥面0.31～0.35mm,端面0.60.70mm。由于油的淬火激烈度比碱水小的多，变形量大为减少，但仍超差；860℃强渗→810℃均温→淬入80～120℃的热油，结果层深0.42～0.50mm,变形锥面0.78～0.29mm,端面0.28～0.30mm,表面硬度79～82HRA.指标均达到合格标准。为使变形量缩小到中间范围，进一步调整共渗温度和等温温度为860℃强渗→780℃均热等温→淬入80～120℃的热油。结果较为理想，层深0.40～0.50mm,变形锥面0.08～0.20mm, 端面0.10～0.29mm,表面硬度78～81HRA.图4表明，用该工艺方法处理的工件，在层深和硬度都合格的情况下，锥面、端面变形最小。是该研究最后选中的工艺。
　　　　　　　　　　　表１　20钢齿轮组合表面化学热处理工艺选择试验

　　关于滴注三乙醇胺碳氮共渗，经830℃强渗→800℃均温扩散→淬入80～120℃的热油冷却的工件，变形很小，但渗层深度都低于技术要求。因为在零件表面附着一层焦油状物质影响C、N原子的渗入，使表层C、N原子浓度不够，扩散驱动力不足，造成层深浅硬度低。焦油的产生，是因为渗剂中的三乙醇胺在500℃以下发生分解时（尤其在300-400℃时），生成沥青状沉淀物并伴有碳黑[6]。应用三乙醇胺作共渗剂时，共渗温度必须高于860-900℃，使其在高于500℃的温度分解。同时滴液管应用自来水冷却，使其温度避开生成焦油状物分解区，防止管道堵塞。三乙醇胺液体粘稠，在使用时应加热到70-100℃,改善其流动性后，方能滴入炉中。

3.2 煤油通氨中温气体碳氨共渗
   进一步验证815℃强渗→780℃均温扩散→淬入80～120℃的热油的煤油通氨气体碳氮共渗工艺的稳定性，用483件20钢薄盘形起动齿轮，按上述工艺进行批量生产试验。处理前在483件齿轮中任意取出30件，进行编号检测。分别按上、中、下三层不同位置挂放，共渗处量后，取出试样检测。其结果见表2。
                            表2  20钢齿轮组合煤油通氨气体碳氮共渗试验结果

　　触媒作用，加速氮化。一旦在α－Fe中溶解的N原子达到饱和浓度时，则析出针状Fe4N(r'相）和Fe2-3(C、N)(ω相），当 相在工件表面形成后，则又增加了C原子在α－Fe中的固溶度，促进渗碳的扩散过程。弥补了工艺温度较低，扩散系数较小的不足。
3.2.2温度对变形的影响

　　图6曲线表明，薄盘形齿轮组合，共渗温度越高，冷却介质的淬火激烈度越大。为了尽可能减少零件变形，在保证表面硬度和渗层浓度的前提下，正确选择较低的共渗温度和淬火激烈度较缓慢的淬火介质，是减小零件变形极其重要的环节。经过一系列试验研究，工艺温度确定：共渗强渗期为（815±5）℃，均温扩散期为（780±5)℃，淬火冷却介质是80-120℃热油。该工艺在薄盘形齿轮组合批量验证阶段，也取得了满意的试验结果。20钢的临介点Acl735℃、Ac3855℃,在碳氮共渗中，氮的渗入，扩大了r区，降低Ac1和Ac3线。因此工作表面获得足够的氮浓度时，碳在α－Fe是的溶解度显著增大。在工艺过程中的零件，表面渗层中的含氮量提高，则含碳量也大大提高。淬火冷却后的工件，表面硬度增加。缘于氮的渗入不仅是扩大r相区，还降低渗层的临界冷却速度，提高渗层的淬透性和淬硬性[7]。共渗温度815℃稍低于Ac3855℃时，温度越低，表层氮浓度越高，渗入深度也较大。因此，齿轮组合在较低的815℃ 共渗，780℃均温扩散，直接淬入80-120℃的热油。金相组织细小，组织应力小；工件温度和冷却油的温差小，热应力少。具有变形倾身小、表面硬度高，渗层深度大的特点。
3.2.3 共渗剂和通氯量 
　　气体碳氮共渗的配方有多种多样，根据工艺温度高低，选择合适的共渗剂为三乙醇胺+甲醇+煤油，试验表明。工艺温度在880℃共渗，硬度、层深达到要求，变形量超差；温度降到830℃时，变形较好，但硬度、层深不够。工件表面有一层焦油状沉积物，说明该渗剂只适用于高温880-930℃碳氮共渗。煤油通氨影响共渗层的碳氮浓度，增大共渗速度。氨气比例越大，表层碳氮浓度越高。因为氨的渗入扩大r 相区并下移，在同样温度下，渗入氮的工件表面，对应着更高的饱和含碳量。在共渗气氛中，氨气含量以25%-35%范围最佳，工件可以获得最大的渗层深度和硬度。 
　　碳氮共渗用的氨气，多为液氨气化通入炉内往往因为液氨中含水量过我，带入炉内，使工件表面氧化腐蚀，甚至发线，影响工件质量。为此，液氨减压气化后，需要经过硅胶净化去除水份，再通入炉内。
　　本研究试验用的液氨，是在化肥厂中购得，含水量超标，通入炉前必须去除水份。因而自行设计了液氨净化系统。新换液氨罐第一次调试过程：液氨罐----微开控制阀（压力表指示0.2MPa)---第一硅胶净化罐（表面烫手约60℃）-----第二硅胶净化罐（表面烫手约50℃）-----打开放空阀有水喷出(30min后喷水停止）---调节转子流量计控制阀（氨气量控制在0.13-0.15m3/h)-----进炉。第二次调试：减压气化的氨气，经过净化罐表面不再发烫，放空阀无水份喷出即可通入炉内。
　　氨气量应遵守工艺规程，氨气通量过大，渗速反而下降。因为在工件表面裂解的氨（2NH→2[N]+6[N]→N₂+3H₂）生成活性氮，氢原子，除部分被吸收外，其余瞬间就转变成极稳定的氮分子和氢分子，失去活性。活性[N]原子一旦生成，应及时被吸收，否则将失去活性，变成氮分子排出炉外。氨气流量增大，分解率下降。因为在生产中，要不断地向炉内供给氨气，排出废气，炉内气氛一直处于流动状态。通气量过大则气氛流动更为迅速，分解率降低，渗速下降。未分解的氨气排出炉外，污染 空气，有强烈的刺激性，对人体器官有伤害。有碳氮共渗工艺过程中，应控制好通氨量等工艺参数，减少残氨排入空气。另外可采用橡胶管，可减少对空气的排放。此时，从水槽中溢出的气体，闻不到氨气味道了。说明放到空气中的残氨很少了，有利于环保。
 3.3表面强度模拟试验
　　为了检查工件表面强度，应用厂家在自行设计摩托车盘形起动齿轮专用“咬卡”试验机上，进行了表面抗“咬卡”性能试验。实际上是模拟摩托车挂档起动时，突然刹车的情况。即在高速旋转的齿轮表面，骤然在三点上施加反力，使齿轮卡死不动。在日光灯下30cm处检查结果，表面没有“咬毛皮”或“擦伤”的痕迹。符合厂家使用要求。
4  结论
　　（1）煤油通氨气体中温碳氮共渗，工艺过程为：815℃强渗-----780℃均温扩散-----80~120℃热油淬火。可以获得足够的表面硬度78---83HRA,渗层深度0.3---0.05mm和较小的变形量≤0.30mm，符合薄盘齿轮淬火变形的技术要求。
　　（2）选择碳氮共渗介质时，必须考虑工艺温度高低，选用适当的共渗剂。三乙醇胺作为高温880--930℃碳氮共渗剂时，效果 较好。作为中温815--780℃ 碳氮共渗时，则效果较差。表面有一层沥青状（或焦油状）沉淀物，很难去除，甚至影响工件表面硬度和渗层深度不合格。主要因为工艺温度较低，三乙醇胺在500℃以下时间较长，生成的沥青状沉淀物，附着在工件表面，影响碳氮原子吸附在工件表面和向内部扩散。
　　（3）采用较低的出炉温度780℃，淬入80---120℃的热油介质，大为减少工件和冷却介质的温差，从而减小热应力的基体组织应力。减小工件变形，确保薄盘齿轮的变形要求。

   主要参考文献
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