30CrMnSiA材料低碳势快速固体渗碳工艺

    我公司生产的某系列零件的原材料为0.5mm壁厚的30CrMnSiA钢管。正常工艺流程为:下料胀形、翻边 热处理 表面处理,此工艺流程经过多批次的生产验证,证明完全能够保证正常的批量生产。然而2002年的批次生产中却遇到了困难,在进行胀形、翻边时产生了严重的纵向开裂,且比例相当高,没有继续生产的价值。
    为了解决这个问题,我们进行了认真细致的分析试验,认为原材料在拉制过程中表面产生纵向暗纹,这是开裂的主要原因。我们首先考虑对材料进行退火处理以增加塑性,降低变形抗力来抑制开裂。反复试验表明,通常的保护退火提供的塑性不足,不能确保在胀形、翻边时不开裂。我们知道,碳钢中铁素体的含量越多,材料的塑性就越好。因此,我们尝试对材料进行了无保护的脱碳退火,使材料基体组织由珠光体加少量铁素体变为少量珠光体加大量铁素体,铁素体的高塑性为基体提供了高的塑变能力和低的塑变抗力。材料经脱碳退火后,塑性大大提高,胀形、翻边开裂率由95%下降到20%,实现了胀形、翻边。
    钢管经脱碳退火,虽实现了胀形、翻边,但基体上严重脱碳,淬火工序几乎无法进行,因基体含碳量太低,低碳马氏体的转变量极少,表现为材料宏观强度、刚性、弹性严重不足。因此,最终热处理前必须提高材料的含碳量,保证基体组织中含碳量与30Cr󰀁MnSiA的标准含碳量相当,进而保证最终热处理后的强度、弹性达到或接近正常。
    我们知道,渗碳作为一种化学热处理手段,目的是对低碳钢或低碳合金钢进行表面渗碳,使其表面0.5mm~1.5mm碳的质量分数为1.0%左右,经淬火得到片状马氏体和高浓度合金碳化物,大大提高零件表面硬度、耐磨性及抗疲劳强度。常规渗碳工艺十分成熟,目前国内的渗碳设备、介质、工艺规范均是针对碳的质量分数为1.0%左右设计的。但30CrMnSiA的碳的质量分数为0.3%左右,对碳的质量分数为0.3%左右的渗碳工艺经多方调研,未发现有低碳势渗碳能力的厂家。因为渗碳是为了提高零件表面含碳量,以提高表面硬度、耐磨性、抗疲劳强度,保持心部低碳组织的韧性,而0.3%左右的低碳势渗碳通常则无使用价值。
    我公司无专用渗碳设备,唯一办法就是采用原始的固体渗碳。考虑到生产成本,我们就目前的设备条件,进行装箱式固体渗碳法展开攻关。根据化学热处理原理,固体渗碳具有透烧时间长、渗碳速度慢、劳动强度大和不易控制渗碳质量等缺陷。为了取得尽量靠近碳的质量分数为0.3%,尽量降低浓度梯度,拟采用混合渗碳介质装箱,中温预热、高温快速扩散原理的方法,力争将材料的碳的质量分数控制在0.2%~0.4%。
    低碳势高温快速渗碳的化学热处理原理渗碳介质:固体渗碳作为一种古老的渗碳办法,具有工件透烧时间长、渗速慢、渗碳质量不易控制等缺点的同时,也具有设备简单、适应性强、成本低廉、渗碳剂来源容易等优点。固体渗碳剂一般为木炭,由于纯木炭的活性较小,为了加快渗速,常加入BaCO3、Na2CO3等催渗剂。催渗剂的加入量必须适当,加入量太小,达不到提高渗速的作用,相反,则由于大量活性炭的产生,在工件表面形成碳黑,阻碍渗碳进行。一般常用的渗碳剂质量分数为85%~90%的木炭和质量分数为10%~15%的BaCO3。在渗碳过程中由于木炭之间有空气,在渗碳温度下,其中的氧与木炭作用生成CO,即2C+O2=2CO