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钢珠薄层渗碳新工艺(一)

1 引言  钢珠的主要失效方式是接触疲劳剥落,但现行的钢珠质量标准却只检查其压碎负荷的大小和硬度,而对钢珠的接触疲劳性能却未作要求。以自行车钢珠为例,压碎负荷国标为15 500N,部优为16 700N,硬度为HRC60~65。生产厂家为了达到对压碎负荷的高标准要求,均按高温渗碳、降温淬火工艺(以下称原工艺)进行生产(图1),钢珠的渗层厚度达到了1.2~1.4mm。如此厚的渗层,虽使压碎负荷达到了要求,但对钢珠的接触疲劳性能影响如何,尚属未知。另外由于该工艺采用的是高温渗碳、降温淬火,不仅生产周期长、生产成本高,而且渗层中还析出了不均匀的网状碳化物,心部析出铁素体,不利于接触疲劳性能的提高。   
本文将研究在不降低钢珠压碎负荷的前提下,提出新工艺,尽可能提高其疲劳性能,降低成本,增加经济效益。其次将研究尽量采用较低的渗碳温度,以提高炉罐寿命(因为生产所用的渗碳罐是由钢板焊接而成,渗碳温度的变化对其寿命影响很显著)
2 研究项目及方法2.1研究项目(1)在不同温度(9000C,9050C,9100C,9200C)对钢珠渗碳直接淬火,考查其裂纹倾向。(2)测定渗层厚度——渗碳温度、渗碳时间的关系。(3)渗碳温度及渗碳深度对抗压碎负荷的影响。(4)煤油滴量对压碎负荷的影响。(5)在优选温度下,渗碳层深度对接触疲劳性能的影响。(6)通过上述研究,提出有利于钢珠质量提高、成本降低的新工艺。2.2试验材料及试样,试验材料为15号钢,其化学成分为:0.15%C,0.15%Si,0.40%Mn,0.03%S,0.02%P。试样为该材料加工成型的Ф6钢珠。2.3研究方法及设备(1)渗碳采用RTS-45-12滚筒式气体渗碳炉。(2)采用VWPL型万能试验机对三个钢珠进行压碎试验,以平均压碎值为准。(3)接触疲劳测定采用KG型疲劳试验机,加载200kg,转速2200r/min,每次9粒,滚动磨损,以出现针状麻点为失效标准,行业检查1h为合格。(4)用JXA840扫描电镜分析断口。(5)渗碳层浓度测定采用Y——2型x射线分析仪。
3 验结果分析 3.1渗碳后直接淬火的钢珠的裂纹倾向,对不同温度下渗碳后直接淬火的钢珠及原工艺未淬火的钢珠分别进行酸洗,检查其裂纹情况,结果见表1。表1不同渗碳温度对裂纹倾向的影响
处理条件(0 C) 900  905  910  915  920  930  原工艺未淬火
百粒裂纹数(个)  7  7  8  6  6  5  7
可见,裂纹个数均在5%~8%之间。裂纹形状、宽度、深度基本一致。这说明裂纹是在轧球过程中产生的,而非淬火产生的,因而采用直接淬火方式应是可行的。3.2 渗碳温度及渗碳时间对渗层厚度的影响  对于采用不同温度(9000C,9050C,9100C,9150C,9200C,9300C)、不同渗碳时间(2.5h,3h,3.5h,4.5h)处理的试样,测量其渗碳深度,部分结果见表2。        
表2渗碳温度、渗碳时间与渗碳层厚度的关系  2.5h  3.5h  4.5h
                                   900℃  0.55mm  0.75mm  0.9mm
                                   930℃  0.73mm  0.93mm  1.1mm
  由此得出结论:在同一温度曲线,开始渗碳速度(V始)较大,随时间的增加,渗碳速度(V)下降,渗层随时间增加而加厚。现对此分析。  众所周知,在渗碳过程中,渗碳速度受煤油的分解、活性碳原子的吸收及碳原子的扩散三方面的影响。  (1)煤油的分解温度在8750C左右,在高于9000C的温度下,它分解比较完全,可能认为不受温度和时间的影响。  (2)活性碳原子的吸附主要与渗入钢中的成分和活性碳原子的析出速度有关。所以渗速主要取决于扩散过程。   (3)根据菲克第一定律,提高渗层表面的浓度梯度是加快渗速的重要途径。在渗碳的初始阶段,化学吸附了大量的活性碳原子,被贫碳表面强裂吸附,因此钢的渗层主要由渗层最外层的高浓度梯度所形成,产生了很高的碳浓度梯度。所以刚开始渗碳阶段,渗速比较大,随碳原子的渗入,碳浓度梯度逐渐下降,这样,渗速也就减慢。 (4)在同一渗碳的时间下随温度的升高,渗层增厚。这是由于随温度的升高,活性碳原子的活性提高,因此扩散速度也提高了。因此,渗层深度随渗碳时间的增加而增加,随渗碳温度的升高而加深,但渗速随时间的延长而减慢。3.3 渗碳温度、渗层厚度对抗压负荷的影响,对不同渗碳温度及不同渗碳层深的试样进行压碎试验,测其抗压碎值,得到以下结论:渗碳温度下降,碳层变薄,但其抗压碎值不下降。出现这种情况的原因是渗碳淬火钢珠的抗压碎负荷取决于渗层(厚度及浓度梯度)和心部两部分的强度。采取较低温度(9150C)薄层(0.8mm)渗碳直接淬火,一方面表层获得了较细的马氏体组织,改善了表层组织,提高了渗层的强韧性;另一方面心部可得到全部高强度的低碳马氏体组织(HRC45左右),也有利于压碎负荷的提高。而原工艺用较高的温度(930℃)长时间渗碳,随后随炉降温至820℃淬火,这不但明显粗化了渗层的马氏体组织,而且在随炉降温过程中,表层析出网状碳化物,使表层组织恶化,硬度降低,脆性增大;在心部析出较多的铁素体或生成屈氏体,心部组织为粗板条的马氏体及托氏体,硬度为HRC36左右。综上所述,采用较低的温度薄层渗碳,直接淬火,有利于钢珠抗压碎负荷的提高。另外,波谱分析表明,在低温(9150C)渗碳5h的试样渗层碳浓度平缓。而原工艺渗层碳浓度过高,虽经1.25h扩散,浓度梯度仍不够平缓。试验断口分析也可证明这一点。新工艺的压碎断口是典型的韧性准解理,有撕裂棱和韧离,裂纹沿过渡层发展,且它的浓度梯度过渡比较平缓,这样渗碳层和心部基体结合比较紧密。当受外力时,不易出现剥落现象,这就降低了裂纹的扩展能力,使抗压强度提高。裂纹是沿晶界产生并扩展的,距表面约0.5mm。相反,原工艺的断口是脆性准解理,断口裂纹从表层至过渡层,然后沿过渡层扩展,经历沿晶发展准解理,使抗压强度降低,裂纹有一部分是沿晶断裂,另一方面是脆性断裂,断裂距离表面约为0.6mm。3.4 滴量对抗压碎值的影响,对优选的温度进行变滴量试验,测其抗压碎值,得出表3和图2。该试验条件为9150C,渗碳5h。可见煤油滴量在6ml/min的抗压碎值较高。
Creatime:2008-10-23 13:42:34

 
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