滴入式气体硫氮碳共渗工艺研究及在生产中的应用

高红花

摘 要：热处理技术是提高机械零件综合性能和使用寿命的关键技术之一，化学热处理是热处理工艺的一项重要内容，加强对化学热处理技术的研究和应用能大大提高机器零件的综合性能，改善其切削加工性能和延长零件的使用寿命，本文从气体硫氮碳共渗的工艺研究出发探索其工艺规律，并将其应用到实际生产中，尤其在汽车齿轮制造中取得了较好的效果。

关键词：气体硫氮碳共渗 工艺研究 生产应用

中图分类号：TE243 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）08（a）-0098-02

化学热处理能最大限度地改善机械零件的综合机械性能及加工工艺性能，延长机械零件的使用寿命。由此，对化学热处理的工艺研究并将研究成果应用于生产中，具有非常重要现实价值。本文以硫氮碳共渗的工艺研究为例，详细介绍了向钢中加入硫、氮、碳3种元素的工艺措施，并且也介绍了3种元素加入后对钢的化学成分、组织结构、综合机械性能以及切削加工性能的影响。

1 滴入式硫氮碳共渗工艺内容

滴入式硫氮碳共滲工艺中是以氨气、氮气、含硫的化合物通过按时按量滴入到热处理气氛炉内气化后形成一定比例的混合气体，在一定的温度和压力条件下，让混合气体与钢铁形成碳化物、氮化物或硫化物，从而向钢铁表层扩散、渗入[1]。

滴入式硫氮碳共渗工艺条件：（1）生产设备须带有气体滴注装置，气体渗氮井式气氛炉或箱式气氛炉；（2）工作温度通常在650℃左右；（3）工艺过程参数：待处理的零件随炉加热到300℃时开始通入氨气，对于体积为30m3的气氛炉，氨气的通入量为23～25L/min；并滴注含硫和碳的液态渗剂，含硫的渗剂的滴入量为每分钟8～10滴，含碳的渗剂滴入量为每分钟6～8滴。炉温加热到570℃～580℃，视零件的材料、形状、悬挂方式以及渗层厚度要求的不同，保温时间各不相同，通常情况下，硫氮碳共渗的工艺时间为4～20h。

2 滴入式硫氮碳共渗工艺要求

为了确保获得较好渗层质量，硫氮碳共渗化学热处理设备的气体共渗罐内这些参数要稳定：温度、压力、气体含量、混合气的均匀性；同时要保证设备加热速度和保温效果；要求合理地设置进、排气口的位置和风口大小，在共渗罐增设混合气导流板和循环风机，合理地摆放待渗的零件，让炉内共渗混合气与待渗的零件充分均匀地接触；此外，改善温度均匀性和混合气循环流动的另一办法是强制气流循环。可以在井式或箱式气体共渗罐内设置导风板槽和循环风罩，或采用气压脉冲式周期变化的送风、抽风设备。以保证设备内有优良的温度、浓度稳定性和均匀性，从而保证炉内待渗零件渗层厚度及化学元素分布的均匀性和一致性，获得较好的渗层质量[2]。

此外，设备的密封性和共渗室内风机运行状况及导流板的效果是保证气体压力稳定和混合气浓度的关键因素。采用导风板和炉内循环风扇进行炉内气体循环的装置，必须设法保证炉内风扇轴、进风口、排风口以及渗剂滴入口等处的密封，密封性的好坏不仅直接影响待渗零件表面渗层质量，也会影响到工作环境和废气排放量。炉内含有硫、碳、氮、氢、氧等多种化学元素，在高温下会发生化学反应产生一些有害气体，如果炉气泄漏将会造成环境污染，也会使待渗入的各种元素含量不稳定，使渗层的金相组织和机械性能难以达到目标要求，因此必须要确保共渗炉有良好的密封性。

3 滴入式硫氮碳共渗工艺对于零件机械性能影响及应用

气体硫氮碳共渗工艺之所以能获得广泛应用和快速发展，除了它的渗层性能优良以外，而且这种工艺方案适用范围广泛，除了非金属和不锈钢以外的钢都可以处理，经过硫氮碳共渗处理的零件精加工余量少或者不加工，这样可以节约加工成本；硫氮碳共渗处理的零件还具有形状和尺寸变化小等优点。

滴入式硫氮碳共渗工艺处理的零件，硫氮碳共渗层除了具有较高的硬度外，还能获得很好的耐粘结性，耐腐蚀性和耐磨性。如20CrMnTi制造的齿轮经过滴入式硫氮碳共渗处理后，在80～90W齿轮油润滑的条件下工作，其共渗层的耐粘结性远远超过经过淬火处理的45钢材料钢制齿轮，也远优于45钢调质后的耐磨性能，甚至比高频感应加热淬火的钢的硬度还高；在润滑条件欠佳的情况下，滴入式气体硫氮碳共渗处理的零件的耐腐蚀性大大高于正火调质状态的钢材。

经滴入式气体氮碳共渗处理的零件的渗层还具有良好的抗咬合能力和较高的疲劳强度。在浸油润滑条件下，滴入式气体氮碳共渗处理的零件抗咬合能力明显高于经过调质状态、淬火和渗碳淬火处理的同类钢制机械零件。45钢制的汽车差速器行星齿轮轴经过硫氮碳气体共渗处理后接触疲劳强度可达到1560MPa，比未经过滴入式气体氮碳共渗处理的零件处理的45钢材（经过正火处理）提高了190%以上；经气体硫氮碳共渗处理变速器中的变速齿轮，其单齿弯曲疲劳强度达到485MPa，比经过高频感应加热淬火的45材料制造的齿轮的疲劳强度提高了近40%。

硫氮碳共渗化学热处理工艺研究成功之后已在工厂投入大批量生产应用。

（1）液压泵柱塞。材质为20CrMo钢，原处理工艺为调质或正火，试验验证于处于边界润滑条件，磨损量为0.05时使用时间仅为5000h。现采用气体碳氮共渗处理，耐磨性提高了5倍，产品合格率100%。如果在共渗处理前采用正火和高温时效作为预先热处理，还可以显著降低柱塞在共渗时的弯曲变形[3]，对于直径为20mm长度为150mm以内的丝柱塞，弯曲变形量仅为0.1mm，弯曲变形程度远小于正火或调质处理的零件。

（2）模具冲头。原材料为GCr15钢，淬火处理。工作时与T10A离子渗氮凹模组成一个间隙配合的运动副，短期使用后即发生严重磨损而无法使用。现将GCr15钢制冲头经气体硫碳氮共渗处理，模具使用两年后仍未出现早期磨损，也未发生过质量异常事故。模具使用寿命超过了10万件。

（3）电动汽车减速器内啮合齿轮。制造材料为45钢和40Cr钢，采用高频感应加热淬火，变形大，加工余量大，加工成本高；磨损快，使用寿命短。经调整将其热处理工艺改为滴入式气体硫碳氮共渗处理，单齿弯曲疲劳强度提高约30%，耐磨性提高了3倍，运转噪声降低1～2dB。这里需要指出的是，由于气体硫碳氮共渗后轮齿静弯强度较低（仅为高频感应加热淬火的70%～80%），抗冲击能力略有下降，采用气体硫氮碳共渗工艺齿轮不适用与转速很低、传递扭矩很大或承受较大冲击负荷的齿轮。

4 结语

生产实践证明，滴入式硫氮碳共渗处理工艺具有热处理温度低，热处理的零件变形量小，共渗层性能优良，适用范围广，生产成本较低，而且操作较简单，工艺效果稳定。在装备制造业、汽车行业、工程机械等行业具有比较广阔的应用前景，有较高的推广应用价值。

参考文献

[1] 吴虎宝.曲轴气体氮碳共渗后冷却工艺的改进[J].热处理，2017（1）：49.

[2] 钟新武.气体碳氮共渗工件质量的检验及控制[J].质量探索，2016，13（3）：42.

[3] 吴旭炜.气体氮碳共渗对42CrMo钢疲劳性能的影响[J].热处理，2017（5）：46.