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应用NM处理消除表层过共析碳化物疵病是嘛

发布时间:2021-07-22 00:58:16 阅读: 来源:天然气缓蚀剂厂家

应用N.M.处理消除表层过共析碳化物疵病

过共析碳素工具钢和合金工具钢经适当热处理,可获得高硬度和高耐磨性,因而是制造各种刀、量具的常用材料。由于含碳量高,轧制、锻压或毛胚热处理工艺不当,常产生碳化物(K)粗大和状、带头偏析,给成品带来高脆性,耐磨性也随之降低。为消除这些K疵病,传统的经典工艺是对毛胚或半成品加热到。Accm以上进行正火。这是工时长、能耗高的联板行走空间950 mm(不含夹具)(标准规格)工艺,效果往往也不理想。对于许多刀具、量具来说,心部的K疵病并不足以使整体强度降低到不能使用的程度,只要刀刃或表面金相组织改善,其性能就可以提高。这些工具如果成品热处理时进行短时间固溶渗氮,随后出炉淬火,即可得到满意效果,不但节能省时,还可提高寿命。该工艺我们称之为 含氮马氏体化处理 ,简称 N.M.处理 。对于铁合金,氮的渗入可大幅度降低A1和A3(Acm)点,在较低温度下就能促使K溶入奥氏体(A)内,K疵病随之消失,淬火后渗层内得到含碳和氮的马氏体(M)及适量残留奥氏体(AR)组织,心部则为M和原有的K(图1a、b)。同理,对一些需要长时间深层渗碳、因而容易出现状带状偏析的零件,渗碳后淬火加热时渗入适量的氮,就可使渗层金相组织大大改善,避免了废品,提高了质量和寿命齿轮齿杆上有油污、脏物或齿杆上限位片压得过紧。

应用N.M.处理工艺,我们从1974年以来生产了数以十万计的剪毛机刀片,少量石灰打浆机锤杆。内蒙有的单位用于军工重负荷齿轮和某宇航产品零件,都得到满意效果。

剪羊毛机

2 N.M.处理消除剪毛机刀片K偏析

20世纪60年代初我国开始生产剪羊丈量系统便自动清零毛机。当时羊群多在荒漠或半荒漠草原上放牧,毛中含砂量极高。一副刀片每剪2 3头羊就要卸下磨刀,每副刀片剪几十头羊就磨损报废,严重影响了机械化剪毛的推广。各厂曾用过国产T12A、Cr06、苏联X05(w%C 1.25 1.40,Cr0.4 0.6)钢效果不佳。1968年原农机部统一进口日本SKS8(w%C 1.30 1.50,Cr0.20 0.50,W2.0 2.5)钢供各厂使用,均未见起色。

1974 l978年笔者参加剪毛机刀片质量攻关,对刀片材料做过全面分析,发现SKS8、Cr06和X05钢原材料都含碳量过高、金相组织存在K粗大和严重状、带状偏析问题(见图1a、b心部)。著名的前苏联工具钢专家Fennep指出:碳工钢和低合工钢中含C量 1.20%时,几乎不可避免地会出现K偏析[1]。攻关中,我们和冶金部门共同研制成功国产刀片用钢和热处理新工艺,提前超标准地完成攻关任务[2]。而面对各厂积压的大量SKS8和Cr06钢材,也做了许多试验,找到了消除K疵病的热处理新工艺,将这些钢材重新利用起来。

2.1 高温正火处理

刀片生产厂对这些钢材曾按传统工艺作高温正火消除K偏析处理。由于SKS8和Cr06钢含碳量 1.30%,其Acm 950℃故正火试验从950℃ 30min(盐浴加热)做起(上刀片毛胚为1.5mm冷轧带钢,下刀片毛胚为4.5mm热轧带钢)。结果表明:在950℃即使保温240min,K也不能全部溶解。后来用到1070℃ 30min空冷。但高温正火后组织十分粗大,二次K沿粗大晶界(约2 3级晶粒度)呈状析出,并有针状魏氏组织(图2),硬度高达34 39HRc。为消除二次K,补充920℃油淬和730℃回火软化。最后该厂采取的预处理工艺是:1070℃ 30min空冷+920℃ 10min油淬+730℃ 60min回火,硬度为18 22HRc。

2.2 N.M.处理工艺

2.2.1 定义 用带有严重K偏析的钢材加工成刀片,在井式气体渗碳炉内进行固溶渗氮(在含活性N的盐溶中也有相同效果,但有污染故不用),出炉油淬并低温回火,作为刀片最后的成品热处理。此即 含氮马氏化处理 ,简称 N.M.处理 。它有两层含义:a.含氮化处理,即对工件固溶渗氮,以得到含氮的奥氏体 A(N);b.马氏体化处理,即将A(N)淬火成含氮马氏体 MN)加适量含氮的残留奥氏体 AR(N)。由于处理工艺不同,或许渗层中还保留一些过剩K,这对某些零件可提高其耐磨性,而对剪毛机刀片之类的锋利刀具则不希望存在。N能促使渗层K溶于A中,所以即使渗层还保留一些过剩K,其形态也将改变:细化、球化,状带状偏析弱化。总之,有利于疲劳强度、耐磨性和韧性的提高。对量具等精密零件可以大大提高加工后的光洁度。N.M.处理不允许由于渗N而出现新的N化物层,否则就不是固溶渗N,就不是N.M.处理。无疑渗层中的M和AR中还含有碳,甚至少量合金元素。但它们都是钢材本身带来的,与本工艺无关。所以本工艺仍然命名为含氮马氏体化处理。在N原子渗入时渗层中的C原子可能部分向内层转移,甚至向外脱碳(例如以氨或尿素为渗剂,炉内碳势较低时),只要不降低硬度和耐磨性,这是允许的,不必为保持高碳势而刻意添加煤油或苯。

2.2.2处理工艺 刀片高温装入炉中,立即滴入渗剂(三乙醇胺、甲酰胺、尿素均可,三者氮势依次增高,而碳势则依次降低)快速排气,以防氧化脱碳。处理温度为760℃ 850℃,可结合各牌号工具钢正常淬火温度进行,出炉直接油中淬火。低于750℃,刀片心部淬火不足,有托氏体;高于860℃,渗层中M(N)太粗,AR过多,影响性能。处理时间取15 60min,表面可得到0.03 0.10mm的K溶解层(出炉前改滴酒精5min,将炉内含氰气体排出烧尽),少于15min K溶解层不明显,超过60min表面可能出现氮化物。对于碳工钢和低合工钢,因缺少形成高硬氮化物的元素,有时化合物的硬度还不及M(N)高。

2.2.3渗层成分与组织 选用厚0.1mm,成分与刀片用钢相近的Cr03钢箔(w%C1.23,Cr0.32)同炉共渗后,测定钢箔成分为w%C 1.17 1.30,N 0.39 0.74。有的研究表怎样抓取1篇篇的页面明:T8钢在800℃苯加氨气氛中CN共渗,第一小时N含量可迅速达到0.8%,时间延长反而渐渐下降,而C含量则不断升高。我们的试验也证实了这点。

正常的N.M.处理层组织应该由细小M(N)+AR(N)组成,对剪毛机刀片来说,要求没有过剩K,这是基于我们对刀片磨损机理研究的结果。对其它零件则可根据其服役条件、失效方式区别对待。但是消除表层粗大K及带状状偏析则是N.M.处理必须达到的目的。

2.2.4剪毛效果 N.M.处理消除了刀片表层K疵病,防止了崩刃,使刀片寿命(用每副刀片每次刃磨后剪新疆细毛羊头数表示)大幅度提高。在同等条件下经几万头羊大规模剪毛考核结果,与普通油淬相比,N.M.处理使SKS8试验刀片从3.7头/次,提高到16.2头/次;使SKS8批量生产刀片从2头/次提高到13.9头/次。这一数据略高于当年进口、有国际王牌刀片之称的某牌号刀片(13.4头/次)。而我们研制的新材料T12J刀片则为21头/次,每副刀片用至报废总剪羊头数达1000头以上。

2.2.5分析讨论 氮是极强烈扩大 区的元素,能大幅度降低 的转变。由Fe C N三元合金700℃、800℃、900℃等温截面相图(图3)可以看出,随着温度升高, 区不断扩大,800℃时含C量0.5~1.10%的碳钢只需稍稍渗N,就可得到单一的 (N),淬火后得到M(N)。

图4是一幅N.M.处理后空冷的照片(试样为厚4.5mmCr06热轧钢带)。它清晰反映了N.M.处理的变化过程。图中由表及里分A、B、C、D四层,最表面的A层是高温装炉后排气不尽和出炉空冷而产生的氧化层,在M(N)和AR(N)上有内氧化的黑,硬度很低,正常处理时不允许出现。淬火后要精磨的零件则另作别论。

正常N.M.处理后表面组织应为图中B层。这层N渗入最多并固溶于A中,由于N促使K溶入A内,含高C、N的A,空冷已能淬火,故得到M(N)和部分AR(N),没有过剩K,硬度800 840HV0.1。N继续深入,其浓度逐渐降低,到C层时已不足以使K溶解。但渗了N的A,空冷时还能淬硬,AR也较少。所以C层由M(N)加K及少量AR组成,硬度最高,达825 880HV0.1,这层最耐磨。再向内的D层未渗上N,空冷时未淬硬,只相当正火组织,由索氏体加原有K组成,硬度284 368HV0.1。如N.M.处理后淬油,则D层应为工具钢正常淬火组织。

若金相试样腐蚀恰到好处,可以看出,由表面到C层,M(N)均呈灰白色,明显区别于D层。C层灰白基体上还分布有白亮的K,其形貌与D层基本相同。同时,C层和B层厚度相当,说明N渗入层厚度约为K完全溶解层的两倍。

由于渗层K偏析得以消除,又含较多AR,故表层呈韧性断口。N.M.处理刀片的刃口在磨粒推动下并不崩刃,而作塑性流动,有力地消耗了磨粒能量,延缓了刃口的磨损、破坏(图5)。

3 N、M处理消除CN共渗层K偏析

3.1用于宇航产品零件

某零件材料为20CrMnTi钢锻件,要求CN共渗淬火,渗层深 1.30mm,共渗时间长,渗层常出现粗大密集的块状状CN化合物,脆性高,在随后机加工时易产生裂纹,还经常在二次加热淬火时因脱碳造成硬度低等问题,长期得不到解决。后从N.M.处理中受到启发,既然固溶渗N能消除钢表层K疵病,也应该能改善共渗层的组织性能。1980年代后期试验成功用N.M.处理代替原二次加热淬火,保证了组织和性能合格,用于生产质量一直稳定。

3.1.1 原工艺CN共渗在井式气体渗C炉进行,渗剂为三乙醇胺+乙醇,温度880℃,出炉缓冷,渗层 1.30mm,机加工后二次加热淬火。为稳定尺寸,淬火后需冰冷处理,最后低温回火。

3.1.2 新工艺CN共渗工艺不变,机加工后的N.M.处理在同一井式渗碳炉中进行。为避免粘稠的三乙醇胺堵塞管道,改用氨气并滴少量乙醇以防脱碳,温度870℃,时间视工件尺寸而定,出炉直接淬油,其后按原工艺冰冷处理并回火。

3.1.3 N.M.处理效果N.M.处理后表层得到极细的M(N)加AR(技术要求1 3级,实际都是1级)。表层CN化合物基本溶解,即使共渗后达5 6级的大块状密集CN化合物,也变为2、3级的细小颗粒(要求1 4级合格)。硬度为61 65HRC(要求60 66HRC)。显微硬度测试,即使共渗后化合物5 6级的试样,N.M.处理并回火后,渗层硬度梯度也很平缓。N.M.处理操作简便,并不增加工序,无需增添设备,成本不高,质量稳定。

3.2 用于军工高精度重负荷齿轮

3.2.1 新旧工艺 内蒙一机厂20Cr2Ni4A钢、模数为7 9的高精度重负荷齿轮,原工艺为820℃氨加煤油CN共渗空冷 精加工 淬火 低温回火。由于渗层深,共渗时间长,渗层常出现大片状CN化合物或粗大钩条状CN化合物加粗大孪晶M,齿面抗疲劳剥落性能差、寿命低。李冬贵等对此精心设计了一套新工艺:齿轮先920℃高温CN共渗,以快速获得所需渗层厚度,然后随炉降温进行570℃ (3 4)h的CN共渗,以获得高的N含量,再随炉升温到760℃ 880℃加热A化,出炉淬火。CN共渗、NC共渗和A化三步既可在渗碳炉中连续进行,也可以CN共渗后齿部精加工,再NC共渗和整体加热淬火。经这样处理的齿轮,渗层为纤细的位错M与高度弥散的细圆形CN化合物,具有较高的静弯强度和接触疲劳强度,其耐磨性和抗咬合性能也比一般CN共渗或渗C淬火者高。

3.2.2 工艺分析模数为7 9的齿轮,其渗层厚度都在1.30mm以上,用氨加煤油为渗剂,820℃ CN共渗,必然时间很长,CN化合物粗大及状带状偏析在所难免。新工艺920℃共渗,渗速大大提高,可较快达到一定渗层厚度。但920℃时氨分解率很高,炉内N势低,主要是渗碳,氮渗入十分有限。因而其后的570℃ NC共渗可大大提高表面N含量,而得到+ 化合物(经X线衍射证实),在随后淬火加热时+ 分解,N溶入A中,形成含高N的A,淬火后转变为M(N)。

A中N含量升高,也促使高温共渗生成的粗大带状CN化合物溶解或者细化,消除化合物偏析。

570℃的共渗还有两个作用:a、对920℃共渗后精加工再淬火的齿轮起到预热作用,可降低应力,减少变形;b、20Cr2Ni4A钢920℃共渗后即使空冷,其组织也是孪晶M加AR和K,570℃的NC共渗也起到高温回火作用,使M和AR中析出细微的粒状CN化合物,淬火加热时可阻止晶粒长大;另一方面也降低了基体中的CN含量。二次加热淬火时,这部分A可能转变成纤细的位错M。所以这一工艺设计是合理的,给人们提供有价值的参考。

4 结论

(1)氮的渗入可扩大钢 区,降低A1和A3(Acm)点。过共析钢结合淬火加热,同时进行固溶渗氮,可使表层碳化物溶入A中,淬火后得到无K的M(N)表层;

(2)含氮马氏体化处理(N.M.处理)可用于消除工具钢或渗碳、碳氮共渗零件表层K、CN化合物存在的颗粒粗大和状、带状偏析等疵病,提高零件性能与寿命;

(3)与传统高温正火相比,N.M.处理是消除过共析钢表层K疵病最简单,最节能的新工艺。

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