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| 高速钢低温低浓度渗碳机理及工艺 |
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日刊《日本机械师》1985年第8期（P32～36）报道高速钢低于Ac1温度以下750℃渗碳机理、性能、工艺要点和应用效果，国内山西淮海机械厂夏期成高工等人早于1984年开始就进行低温低浓度渗碳，并投入小批量生产，经统计分析对比，各种高速钢刀具的使用寿命分别提高到0.73～3.3倍。这种处理方法设备简单，工艺方便，工具变形甚微，成本低，适用性强，使用刀具的加工厂可应用此工艺自制个别切削性能不能满足要求的专用刀具，以适应机械加工的个性化要求。（1）低温低浓度渗碳机理传统的渗碳温度大多在900℃以上，因为根据Fe-C平衡相图可知，奥氏体对C的固溶量最高可达2%左右，而铁素体对碳的固溶量约为0.02%，因而一般认为铁素体是不能接受渗碳的。但是根据相分析表明，高速钢中的铁素体含有多种合金元素，见表1，其总量约5%，因此是含有多种元素的合金铁素体。研究表明，合金元素置换于铁素体中，由于原子尺寸因素和电子因素综合作用结果，会引起点阵常数的变化。尺寸因素一般可用欠配合金度参量Y来表示：Y＝（dM-dFe）/dFe……（1）式中dM代表其中合金元素的原子直径，Y值愈大，形成固溶体的点阵常数的变化也愈大。电子因素可用电负性X表示化学亲和力关系，如（XM－XFe）2的值愈大，化学亲和力就愈强，固溶体点阵常数变化愈小。有关合金元素的上述参数及其对点阵常数变化的作用列于表2。表1 W6Mo5Cr4V2及W18Cr4V钢基体的合金成分成分钢号基体合金成分（质量%）基体合金成分（原子%）WMoCrV合计WMoCrV合计W6Mo5Cr4V20.91.52.20.24.80.2730.8732.3260.1863.658W18Cr4V2.1—3.10.15.20.638—3.3130.0934.044表2合金成分对铁的固溶体点阵常数的作用元素原子直径/(d12·Å)欠配合度Y（%）负电性X（X-XFe）点阵常数变化/ÅFe2.5401.800W2.82+11.01.70.01+0.0011Mo2.89+0.21.80+0.0024Cr2.55+0.41.60.04+0.0005V2.72+7.11.60.04+0.0010表2中“d12”是配位数为12的原子直径，点阵常数变化是Fe-X固溶中，溶质1%（原子）引起的点阵常数的变化。根据以上数据，可以算出由于合金元素的原子尺寸因素和电子因素的综合作用，引起W6Mo5Cr4V2和W18Cr4V钢中合金铁素体的点阵常数变化分别为+0.0043Å和0.0037Å。测试结果表明，碳原子在铁素体中处于八面体间隙中，这是因为八面体虽然间隙较小，但它是不等轴的，碳原子渗入时只需挤开上下最近的两个原子。人们用晶体学分析的方法研究铁素体溶碳能力时发现，铁素体的溶碳能力[C]（%）与八面体间隙直径（do）对碳原子直径（dc）比值的变化△（△＝do/dc）具有良好的回归关系。[C]＝0.7686+0.1133In△（do/dc）………（2）上述中do的大小与点阵常数的变化有直接关系。因此根据上述有关数据就可以计算出W6Mo5Cr4V2和W18Cr4V钢中合金铁素体溶碳的能力。在20℃时分别为0.103%和0.086%，而在750%时为0.15%和0.14%。有人用x射线能谱仪测定高速钢基体碳的强度，低温渗碳渗层铁素体基体为500CPS（每秒脉冲数），而心部未渗碳的基体为340 CPS，证实了低温渗碳后渗层基体的含碳量明显高于未渗碳的心部基体。由此可以认为，通用高速钢的合金铁素体几乎不含碳，是在特定成分（欠碳）条件下合金元素和碳在不同合全自动精密之间分配的一个具体结果，并不代表这种合全自动精密铁素体的最大溶解能力。高速钢低温低浓度渗碳就是在Ac1以下的珠光体相区通过固溶和扩散过程，对合金铁素体进行低浓度渗碳，使渗层的碳量提高0.10%～0.15%（质量分数）。与传统的高温渗碳工艺相比，低温渗碳温度降低约200℃，为了获得一定深度的渗层，需要考虑碳的扩散条件。根据有关数据推算，得出碳在920℃γ-Fe中和700℃α-Fe中的扩散系数分别为1.62×10-11m2/s和6.62×10-11m2/s，即碳在铁素体中的扩散系数比在奥氏体中要大3倍多。这是因为体心立方的铁素体致密度小，故碳原子在其中较易迁移。虽然合金铁素体中置换存在形成碳化物的合金元素，会降低碳的扩散系数，但前者仍起主导作用，只要合金铁素体中固溶产生一定的碳浓度梯度，是完全有可能形成较深的渗碳层。（2）铁素体区域渗碳的特点和性能由于是在Ac1以下（一般700～750℃）渗碳，渗层的碳量提高控制在合金铁素体最大溶碳能力之内，因而不会形成过量渗碳，更不会产生影响力学性能的大块碳化物。由于固溶于合金铁素体中的碳会趋于偏聚在形成碳化物的合金原子周围的间隙中，在从渗碳温度冷至室温的过程中，随着碳的固溶量减小，在渗层中会析出高度弥散的碳化物，并优先析出钒的碳化物。这对提高性能和细化组织都比奥氏体状态的高温渗碳彰显优越。凡在奥氏体状态的高速工具，为防止晶粒粗大，往往要比常规降低40～60℃欠热淬火，势必会影响红硬性等性能的发挥，而在铁素体区域的低温渗碳，采用常规的淬火加热温度，仍可获得细小晶粒。由于表面碳量提高，其碳量达到“定比碳”的水平，二次硬化效果十分明显，淬火回火后上升到65～68HRC。625℃×4h后的红硬性亦能达到62HRC以上的高水平（未渗碳肯定低于61HRC）。低温低浓度渗碳的碳势不宜过高，不要超过1.10%，渗层也不宜超过0.80mm，一般达0.40～0.70mm，淬火回火后可以进行正常余量的磨加工，因此，适用于精度要求高的各种成形刀具。另外，低温渗碳的高速钢刀具与其他成品表面强化处理无排它性，如可进行蒸汽处理、氧氮化、氮化、QPQ 、TiN涂层等。（3）低温低浓度渗碳工艺由于是在Ac1以下处理，所以应安排在淬火、回火工序前进行。渗碳温度设定700～750℃，选用在CO-CO2气体气氛中进行为宜，在气体气氛中加热时，碳存在于钢的表面，表示渗碳能力的指数（含碳量%）叫做渗碳气体的渗碳能力。在750℃所得的渗碳气体的渗碳能力和CO-CO2之间的关系如图4所示。很明显，当CO多CO2少时，渗碳气体能力为最高，所以进行低温渗碳时选择气体浓度是很重要的。图5是渗碳量对W6Mo5Cr4V2钢回火硬度的影响。由图可知，在560℃×1h×2次时，含碳量为1.0%～1.10%时的硬度达67HRC峰值，超过此含碳量，硬度反而向低走，主要是残留奥氏体多了，硬度不升反降的主要原因。图6所示是CO-CO2气氛中渗碳能力和750℃×4h后的W6Mo5Cr4V2钢的表面含碳量的关系。在此条件下，为使其表面含碳量达1.10%～1.10%，气氛气体的渗碳能力最好调整到0.47%左右。 图7是在渗碳能力为0.47的气氛气体中对W6Mo5Cr4V2进行渗碳的效果，结果表明，表面含碳量在1.0%～1.10%时，渗层厚度为0.40～0.60mm。图8表示成分如表3所示两种高速钢：W6Mo5Cr4V2钢680～700℃×6h、W18Cr4V钢730～750℃×6h低温装箱固体渗碳。渗碳后渗层中的含碳量，由图可知，两种钢的渗碳能力基本相近。表3 两种高速钢的化学成分（质量分数）（%）成分钢号CWMoCrVSiMnSPW6Mo5Cr4V20.866.094.804.021.760.190.270.0240.014W18Cr4V0.7418.070.054.111.150.260.330.0230.016由表及图示值可见，低温渗碳可使表面C增多0.13%左右，扩散层深度可达0.50～0.60mm，经淬火回火后，硬度达65～68HRC，经625℃×4h红硬性试验，硬度提高1.5～2.0HRC。（4）低温低浓度渗碳工具的应用效果沟槽加工后经粗磨（留磨削余量0.15mm）的高速钢钻头先用气体渗碳炉进行缓慢渗碳处理，使含碳为1.0%～1.10%，经淬火回火加工成品后蒸汽处理，此时钻头表面的含碳量在0.95%～1.05%之间，硬度为940HV，硬化层深度为0.60～0.70mm。图9a、b为W6Mo5Cr4V2钻头表面硬化层硬度分布的情况，图10为W6Mo5Cr4V2Co8经渗碳淬火回火后硬度达950HV的分布情况。将上述两种高速钢在750℃进行气体渗碳，使表面碳含量达1.0%～1.10%，渗层深度在0.50～0.60mm，淬火回火加工成品，表面硬度约950HV，在提高耐磨性的同时，也不丧失原有的韧性，因而提高了钻头的切削性能与使用寿命。经渗碳处理后，刀具的红硬性提高甚微，因此在加工SUS304之类的奥氏体不锈钢或在干切削时效果不太理想；此外切削硬度超过40HRC的调质钢时，渗碳钻头也不如氮化的产品好。实践考核，渗C后的钻头在钻削硬度低于40HRC制品时，显示出强大的生命力，普遍提高寿命2倍左右。今后，渗碳钻头可望使大批量生产线上调质件的孔加工降低成本。表4为渗碳处理和N化处理刀具的特性和切削试验结果。表4低温渗碳和氮化处理特性的比较状态项目低温渗碳氮化处理表面硬度HV9501000～1200硬化层深度/mm0.50～0.700.03～0.15韧性大小耐磨性中大处理工序淬火回火之前回火精加工磨削之后产量大小成本小大低温渗碳对高速钢刀具寿命的影响如表5所示。表5低温渗碳对高速钢刀具寿命的影响刀具名称刀具材料刀具主要尺寸/mm刀具热处理工艺刀具寿命/件使用寿命对比直柄麻花钻W18Cr4V8.9常规热处理4801低温渗碳20904.35铰刀W18Cr4V26常规热处理4401低温渗碳8601.95扩孔钻W6Mo5Cr4V226常规热处理2201低温渗碳3901.77丝锥W18Cr4VM27常规热处理11571低温渗碳49914.31丝锥W18Cr4VM56常规热处理2001低温C-N渗碳8044低温C-N共渗+低温渗碳18429.16日本人曾作φ18mm、φ12mm锥柄钻低温渗碳切削试验，钻孔数目较未渗碳者提高50%以上；φ8.5mm、φ11.5mm直柄钻渗碳钻较未处理寿命提高40%；经低温渗碳的φ9.8mm、φ13mm锥钻的W6Mo5Cr4V2Co8钢产品，寿命提高1倍多。有人用废W6Mo5Cr4V2料头，制作检查锯片铣刀内孔塞规（止通规），经低温渗碳处理，塞规表面硬度达到67～68HRC，使用寿命较原9SiCr、GCr15钢提高20多倍。由于低温渗碳后的表面含碳量增加有限，大概达到该钢定比碳（也叫平衡碳）的水平，碳化物分布均匀，因而无需改变随后的热处理工艺。低温渗碳的费用仅占刀具成本的5%左右，但它创造的经济效益十分可观，由此可见低温渗碳极易纳入某些特殊刀具的生产工艺，运用得好，前途无量。综上所述，不管是无莱氏体渗碳、高温渗碳，还是低温渗碳都是一定的条件下才适用，并不具备普遍性，但只要应用得好，同样可以创造奇迹，为企业节能增效。
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