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（怎樣使?jié)B碳表面層質(zhì)量處于世界領(lǐng)先地位，同時(shí)節(jié)能、降耗、經(jīng)濟(jì)效益可觀）

李志義1，2，馬學(xué)文3，蒲  玲4，，向書(shū)勝5,李曉澎1，2

（1.重慶義揚(yáng)機(jī)電設(shè)備有限公司,重慶  400039; 2.重慶長(zhǎng)江工業(yè)爐公司, 重慶  401329; 3.株州齒輪公司,湖南 株州  400029; 4.四川丹齒實(shí)業(yè)公司,四川 丹陵  612260; 5.重慶建設(shè)工業(yè)集團(tuán)有限公司, 重慶  400050)

摘 要: 在《金屬熱處理》2000年第25卷第11期刊登題為“滲碳淬火件表面層非馬氏體組織形成的原因和防止措施”和在《齒輪傳動(dòng)》2011.(6)：79-86刊登題為：再述：滲碳淬火件表面層非馬氏體組織形成原因和防止措施的基礎(chǔ)上，依據(jù)近壹年在熱處理生產(chǎn)中的實(shí)際總結(jié)和產(chǎn)品質(zhì)量的檢驗(yàn)，對(duì)滲碳淬火件表面層非馬氏體組織形成的原因和防止措施有了新的見(jiàn)解并加以完善。再次強(qiáng)調(diào)了采用凈化后的天然氣、甲醇、氨氣等滲碳?xì)庠词菧p少非馬氏體組織的重要措施，并且在檢查非馬氏體組織時(shí)一定要淺腐蝕、晶間氧化（不腐蝕）2011年5月北京三一重工（艾協(xié)林多用爐）姚東海首先發(fā)現(xiàn)：在風(fēng)電、重載齒輪滲碳上有效硬化層2.5～3mm，晶間氧化（不腐蝕）15～20μm。表面層質(zhì)量處于世界領(lǐng)先地位（2011年8月重慶新興通用豐東韓伯群總工也發(fā)現(xiàn)類(lèi)似效果）。

關(guān)鍵詞：非馬氏體組織；氣源凈化；淺腐蝕

Further Discussion on the Forming Reasons of Non-martensite Structure on the Surface 

Layers of Carburized and Quench Hardened Parts and Its Preventive Measures

( how to make the quality of carburized layer in a leading position in the world, 

at the same time, energy saving, consumption reduction, substantial economic benefits )

Li Zhiyi1，2, Ma Xuewen3, Pu Ling4, Xiang Shucheng5, Li Xiaopeng1，2

Abstract: In the" metal heat treatment" in 2000 twenty-fifth volume eleventh periodical published entitled" the hardened steel surface layer of martensite formation reason and prevention measures" and in" gear" 2011 ( 6) : 79-86 published entitled: the: carburizing quenching surface layer of martensite formation reason and prevention measures on the basis, according to the recent one year in heat treatment production in the actual sum and product quality inspection, carburization and quenching, surface layer of martensite formation reason and prevention measures in a new light and sound. Once again stressed the importance of using purified natural gas, methanol, ammonia carburizing gas source is to reduce the martensite are important measures, and in the examination of Non-martensitic structure must be superficial corrosion, intergranular oxidation ( corrosion ) in 2011 May Beijing Sany ( Ai Xielin furnace ): Yao Donghai first discovered in wind power, heavy-duty gear carburizing on the effective hardening layer of 2.5 ~ 3mm, intergranular oxidation ( corrosion ) 15 ~ 20 ~ M. The quality of the surface layer in a leading position in the world ( 2011 August Chongqing new GE Feng Dong Han Boqun chief engineer also found similar results ).

Key words: non-martensite structure, gas purification, shallow corrosion

0引言

文獻(xiàn)[1]對(duì)滲碳淬火件表面層非馬氏體組織形成的原因和防止措施作了闡述。文獻(xiàn)[2]對(duì)非馬氏體組織的組成順序作了補(bǔ)充，并再次強(qiáng)調(diào)必需淺腐蝕，其腐蝕時(shí)間為金相標(biāo)準(zhǔn)GB/T9450-2005《鋼鐵滲碳淬火硬化層深度的測(cè)定和校核》中的1/2~1/3為準(zhǔn)。同時(shí)，對(duì)各種措施下所形成非馬氏體組織的厚薄進(jìn)行了評(píng)述。

經(jīng)過(guò)近年來(lái)的探索和研究，有必要再次敘述。并對(duì)采用噴丸和磨齒等被動(dòng)措施后的加工工序來(lái)減少非馬氏體組織層深提出了值得制造廠家考慮的問(wèn)題。

1 關(guān)于滲碳淬火件表面層非馬氏體組織

己被公認(rèn)的非馬體組織是由內(nèi)氧化的貧合金化元素導(dǎo)致而形成。一旦形成此類(lèi)組織，其后果是降低表面硬度和耐磨性以及疲勞極限，并由晶粒邊界或氧化物的應(yīng)力集中區(qū)域，萌生細(xì)微裂紋，并向更深的地方延伸……。

滲碳淬火件的非馬氏體組織包括：表面脫碳形成的鐵素體、表層沿晶間形成的屈氏體，有些鋼種還有貝氏體。以及在不腐蝕條件所見(jiàn)到晶間氧化。（目前國(guó)內(nèi)外齒輪深度滲碳均采用不腐蝕條件下看晶間氧化，例如：風(fēng)電齒輪）在氣源含硫量較高時(shí)，看晶間氧化除了氧化物外，必然存在硫化物、H2S和金屬硫化物、汞化物。

對(duì)非馬氏體組織的組成順序*嚴(yán)重態(tài)排序[2]為：鐵素體、鐵素體+屈氏體（**條黑網(wǎng)）、屈氏體（黑帶）、屈氏體+馬氏體（第二條黑網(wǎng)）、貝氏體+馬氏體、馬氏體。一般講不腐蝕條件下所見(jiàn)到的晶間氧化深度小于淺腐蝕狀態(tài)下的非馬氏體組織的深度。

作者簡(jiǎn)介：李志義（1938.2.1）男，江蘇泰州人，漢族，1962年哈工大畢業(yè)，1992年由22個(gè)一級(jí)學(xué)會(huì)聯(lián)合召開(kāi)的“全國(guó)機(jī)電裝備失效分析預(yù)測(cè)防戰(zhàn)略研討會(huì)”授予全國(guó)先進(jìn)失效分析專(zhuān)家稱(chēng)號(hào)，獲國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利二項(xiàng)，獲兵器部二、三等獎(jiǎng)，已發(fā)表論文20多篇。著有：結(jié)構(gòu)鋼在表面處理過(guò)程中的氫脆和應(yīng)力腐蝕斷裂 [M]。聯(lián)系電話：13002366762  E－mail：info@yiyangjd.com  公司網(wǎng)址：whmfcw.com

2  影響形成非馬氏體組織的因素

2.1 原材料的訂貨

2.1.1 齒輪滲碳的主要鋼種：18CrNiMo、20Cr、20CrMnTi、20Cr2Ni4、20Mn2、20MnVB、20MnTiB、20MnCr5、20CrNi3、20CrNiMo、22CrNiMo、22CrMoH、40Cr、45#、35SiMn、40CrNi、40MnB

德國(guó)：18CrNiMo、17CrNiMo6為主

美國(guó)：20CrNiMo、17CrNiMo6為主

國(guó)內(nèi)：20CrMnTi、20CrMo、22CrMoH、17Cr2Mn2TiH、22CrNiMo（個(gè)別企業(yè)細(xì)小齒輪滲碳為降低成本采用A3鋼）

2.1.2 滲碳鋼中B、Ti、Sn的控制：

2.1.2.1 一般講:對(duì)加硼的滲碳鋼，要注意晶間硼化物的形成。硼化物的形成使晶間局部韌性下降(硼脆)，直接影響磨削應(yīng)力大小和磨削裂紋源的形成。消除硼鋼，硼化物的形成，除冶金冶煉質(zhì)量為主，熱處理一般講;奧氏體化溫度越高冷卻速度越慢，則富集到晶間的硼化物也越多，當(dāng)冷卻速度較快時(shí)，才有可能防止硼化物的偏聚。因此等溫正火，在正火過(guò)程中可考慮變速降溫的設(shè)計(jì)方案……。

2.1.2.2 對(duì)加鈦的滲碳鋼，要注意方晶鈦（TiN）的形成使晶間局部韌性下降(鈦脆)，直接影響磨削

應(yīng)力大小和磨削裂紋源的形成。消除方晶鈦的形成，主要是冶金冶煉質(zhì)量的控制，熱處理一般講：奧氏體化溫度越高強(qiáng)迫方晶鈦熔解在奧氏體內(nèi)，然后在冷卻時(shí)需確當(dāng)?shù)睦鋮s速度避免鈦在晶間的富集，從而消除方晶鈦的形成。方晶鈦的形成，或者含鈦太高，還會(huì)使?jié)B碳速度下降……。*新資料認(rèn)為[3]：含鈦鋼容易產(chǎn)生液析TiN從而嚴(yán)重?fù)p害鋼的接觸疲勞性能。在保證滲碳溫度下具有足夠體積分?jǐn)?shù)的Ti(C，N)顆粒有效釘軋晶間阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大的前提下，適當(dāng)降低鋼中鈦含量可有效消除液析TiN。同樣，還必須綜合考慮N的影響，不同氮含量的鋼中（如轉(zhuǎn)爐鋼和電爐鋼）鈦含量的控制范圍應(yīng)相應(yīng)調(diào)整。鋼鐵研究總院與萊蕪鋼鐵集團(tuán)合作開(kāi)發(fā)的優(yōu)化鈦含量的20CrMnTiH鋼，完全消除了液析TiN，同時(shí)對(duì)氧化物和硫化物進(jìn)行嚴(yán)格控制，其接觸疲勞壽命達(dá)到107次以上，比傳統(tǒng)生產(chǎn)的20CrMnTiH鋼提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。在滲碳的工藝中，例如：氮+甲醇+富華氣，以及通氨的C-N共滲或N-C共滲均能引起TiN的形成，需適當(dāng)調(diào)整。

2.1.2.3 含錫量的控制

避免晶間錫化物的形成，冶金冶煉錫含量必須控制在0.5% 以下 ，同時(shí)防止在400℃左右回火，通常滲碳鋼均在低溫回火，這類(lèi)組織不易形成。

1.3 技術(shù)要求：世界**品牌德國(guó)SEW減速機(jī)公司，原材料的訂貨：要求氫含量≤2PPm氧含量≤20PPm

   夾雜物：氧化物≤1級(jí)，硫化物≤1級(jí)，而我們兵器用的槍炮鋼，氧化物≤1.5級(jí)，硫化物≤1.5級(jí)，二者之加≤2.5級(jí)。

   原材料在冶煉澆鑄：推薦用真空抽氣脫氧脫氫，磁場(chǎng)、震動(dòng)攪拌，連鑄連軋的方法來(lái)減少材料的雜質(zhì)、偏析。由于各種原因、原材料狀態(tài)不理想需要進(jìn)行等溫正火處理。

2.2等溫正火處理，一般采用950℃，若溫度低效果差（特別對(duì)白點(diǎn)引起微裂紋的焊合）

等溫正火：改善魏氏組織，原始晶粒均勻，應(yīng)力狀態(tài)，帶狀偏析，合金元素偏析，致密度均勻性，夾雜物形態(tài)；由條狀變?yōu)閿噫湙E園狀，氫含量下降，夾雜引起的裂紋，對(duì)鍛造引起的組織損傷或裂紋有愈合作用（俄文1975年報(bào)道為焊合；合金元素多焊合時(shí)間增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)學(xué)者肖亞航等[4]2005年報(bào)道）*終可獲得良好的切削性，且畸度小，性能提高，（零件長(zhǎng)期服役下的尺寸穩(wěn)定性提高）。這種狀態(tài)下的材料使以后從事表面處理過(guò)程中的氫脆和應(yīng)力腐蝕斷裂現(xiàn)象均有減緩作用。資料[3]從動(dòng)錐齒畸變的研究，再次驗(yàn)證上述觀點(diǎn)：原材料存在明顯的成分偏析和致密度不均，致使齒輪淬火壓淬過(guò)程中零件內(nèi)部同一層面組織轉(zhuǎn)變不一致，產(chǎn)生了附加應(yīng)力該內(nèi)應(yīng)力促使端出現(xiàn)了異?；?。由于：GB/T1979標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)偏析框大小和形狀沒(méi)有規(guī)定，建議用戶采購(gòu)齒輪鋼時(shí)多關(guān)注鋼的低倍鋼的低倍組織并加強(qiáng)鋼材進(jìn)廠檢驗(yàn)。

2.3 滲碳?xì)夥罩袣庠吹倪x擇[6、7]

由于內(nèi)氧化是氧的參與：古老的滲碳機(jī)理CO→Cad+CO2，這種滲碳機(jī)理必然是在一邊滲碳的同時(shí)，一邊內(nèi)氧化，并且使?jié)B碳速度減緩。

而無(wú)氧參與下的滲碳?xì)庠?，其滲碳機(jī)理如下： 

目前能產(chǎn)生的無(wú)氧下滲碳的氣源，這些氣源在一定條件下才能優(yōu)化。（務(wù)必注意優(yōu)化措施）

 *能直接產(chǎn)生活性碳的滲碳機(jī)理

重慶地區(qū)的乙炔(C2H2)、丙烷（C3H8)、甲醇也是天然氣制造的,均存在含水、含硫指標(biāo)過(guò)一般6mg/m3左右。

要使無(wú)氧參加下的滲碳技術(shù)達(dá)到*多的自由活性碳原子，氣源必須要考慮含硫、含水的控制，而且越低越好。

優(yōu)化這些氣源的措施，水、含硫量控制越低越好。特別要強(qiáng)調(diào)穩(wěn)定性、可靠性的控制[4、5、6、8]。

由于城市天然氣中含有水和有機(jī)硫、無(wú)機(jī)硫：而且波動(dòng)很大以至于同一外國(guó)著名公司的不同作者，作出不同的結(jié)論。有些教授只知用甲烷做試驗(yàn)而無(wú)水、硫介念……，對(duì)硫引起氧探頭壽命降低的思路不明。重慶地區(qū)的天然氣經(jīng)拾多年檢測(cè)為[5]：有機(jī)硫30－248mg/m3、無(wú)機(jī)硫10－70 mg/m3、汞46-97 mg/m3（有些地區(qū)汞達(dá)到200多mg/m3）、水份露點(diǎn)＞10－24℃。有時(shí)因天然氣礦脫硫設(shè)備檢修，城市天然氣無(wú)機(jī)硫高達(dá)1100mg/m3，這時(shí)很多廠家就會(huì)停產(chǎn)，而采用天然氣凈化設(shè)備的廠家，只需將再生時(shí)間縮短就可，無(wú)需停產(chǎn)。

英俄日德資料均對(duì)氣源提出含硫控制，而且指出原料氣充分除硫[11]。有的廠家勿略上述問(wèn)題，已遭受市場(chǎng)的冷落；有些進(jìn)口設(shè)備廠家漸漸地退出中國(guó)市場(chǎng)。由對(duì)比空氣密度1.27㎏.m-3，乙炔1.17、甲烷0.72、丙烷1.9，可見(jiàn)甲烷分子鏈簡(jiǎn)單、*易裂解，不易在爐內(nèi)存在死角[15、16]。

很多資料寫(xiě)明，古老的天然氣在930℃以上可充分裂解，隨著溫度的下降不易充分裂解，而現(xiàn)在經(jīng)充分凈化后，在910℃長(zhǎng)期滲碳后，工件表面穩(wěn)定地?zé)o碳黑、表面呈光亮銀灰色，其滲碳的表面硬度和非馬氏體組織均達(dá)到德國(guó)波爾舍、奔馳、寶馬等需在真空爐下滲碳的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在850～860℃下的 C—N共滲后，表面也呈光亮、銀灰色、無(wú)碳黑。

2.3.1天然氣的質(zhì)量問(wèn)題

當(dāng)人們?cè)谘芯扛鞣N氣源滲碳時(shí)，并比較各種氣源滲碳的結(jié)果而確認(rèn)，天然氣氣源是所有滲碳熱處理氣源中*好的氣源[1、14]，它不僅僅是價(jià)廉，能大大降低成本（四川重型汽車(chē)制造廠、一汽大眾采用凈化的天然氣生產(chǎn)后單氣源耗損年節(jié)約約50萬(wàn)元；株齒公司[5、8]年節(jié)約85萬(wàn)，還未計(jì)算其產(chǎn)量直接提高11%（株齒馬學(xué)文發(fā)現(xiàn)）+Rx氣氛不燒炭黑總共產(chǎn)量提高18%帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，以及吃凈化氣源設(shè)備壽命總體提高的效益。），而且滲碳傳輸*快，保持較高的有效碳勢(shì)當(dāng)量（排除那部分能增加碳勢(shì)，但進(jìn)入滲碳件因氧參與下的內(nèi)氧化，使?jié)B碳速度較緩，活力較差的碳勢(shì)）；表面含碳量*高；滲碳時(shí)間*短；滲碳件表面非馬氏體組織的厚度和密度*低，一般均能0.003mm以下[4](淺腐蝕)；表面硬度HRC61以上（HV1轉(zhuǎn)換）；碳化物極度彌散。早在70年代市場(chǎng)上就有各式各樣的脫硫設(shè)備、高效脫硫劑等。含糊地講：控制總硫，不講脫有機(jī)硫和無(wú)機(jī)硫的深度，混淆兩種硫?qū)嵸|(zhì)上的差別，模糊技術(shù)實(shí)質(zhì)帶有商業(yè)性的炒作，而且進(jìn)入城市的天然氣，其有機(jī)硫、無(wú)機(jī)硫，就具有差距很大的波動(dòng)范圍，須經(jīng)受長(zhǎng)期檢測(cè)考驗(yàn)，以防其偶然性的合格過(guò)關(guān)。

2.3.2 采用凈化后的天然氣作氣源

1）吸熱式氣氛

在吸熱式氣氛中，采用了凈化后的天然氣滲碳后，湖南株齒公司馬學(xué)文（高工）發(fā)現(xiàn)：Rx氣氛中CO含量一般高達(dá)22%（*高達(dá)31%），而采用丙烷氣時(shí)CO只有17%。因此滲碳能力加強(qiáng)。同樣的設(shè)備下Rx氣耗量要適當(dāng)下降一些，富化氣也適當(dāng)下降，這樣使總的耗氣量下降，不產(chǎn)生炭黑，滲碳速度反而提高，非馬氏體組織也少。

實(shí)踐結(jié)果表明，同樣采用凈化后的天然氣、同樣是吸熱式氣氛，株齒公司的滲碳齒輪光亮銀灰色、無(wú)炭黑，非馬氏體組織較少，達(dá)到*佳效果；一汽大眾經(jīng)過(guò)交流改進(jìn)后，現(xiàn)在的產(chǎn)品也呈光亮銀灰色、無(wú)炭黑，非馬氏體組織控可控制在7μm以下。德國(guó)天津sew劉鵬程發(fā)現(xiàn)采用天然氣凈化設(shè)備吸熱式氣氛1500kg多用爐滲碳時(shí)富化氣0.8m3/h……。在歐洲，富化氣1.1 m3/h。節(jié)約經(jīng)濟(jì)價(jià)值可觀。目前，若不采用天然氣凈化設(shè)備，同樣是一個(gè)地區(qū)的天然氣吸熱式氣氛[12]非馬氏體組織一般在20μm左右。2011年5月北京31重工姚東海發(fā)現(xiàn)使用天然氣凈化設(shè)備后，艾協(xié)林多用爐有效硬度層深2.5～3mm的風(fēng)電重載齒輪晶間氧化（不腐蝕）15～20μm表面層質(zhì)量處于世界領(lǐng)先地位。2011年8月重慶新興通用（豐東設(shè)備）：豐東韓伯群總工也發(fā)現(xiàn)類(lèi)似效果……。此數(shù)據(jù)據(jù)我們所知國(guó)內(nèi)外風(fēng)電齒輪采用多用爐氣體滲碳只有這兩家。主要由于滲碳?xì)庠促|(zhì)量及工藝，法士特齒輪軸滲碳層深0.68～0.85/5件，晶間氧化12～24μm/5件……[13]

有些廠家采用Rx氣氛，由天然氣未凈化或者凈化不好，在其生產(chǎn)的初期Rx氣氛發(fā)生器中的裂解劑是氧化鎳主要組成，具有一定的脫硫效果，給人們有假象熱處理質(zhì)量還馬馬虎虎……。但不久效果越來(lái)越差，打開(kāi)看裂解劑中毒有炭黑，爐膛內(nèi)還有黃色粉狀物（黃色粉狀物是由硫化物、汞化物組成，在滲碳爐膛內(nèi)發(fā)現(xiàn)黃色物質(zhì)，附著在爐膛內(nèi)壁粘得很牢，這就是硫化物和汞化物……。（天然氣中汞含量有的地區(qū)達(dá)到200多mg/m3重慶地區(qū)汞含量一般在100 mg/m3以下）,見(jiàn)圖2

（圖2）

國(guó)內(nèi)某廠天然氣未凈化處理，爐膛內(nèi)產(chǎn)生的黃色粘附物（爐灰，硫含量:0.1%,鐵含量31.3%,汞未化驗(yàn)）Fig 2 a domestic natural gas purification plant without furnace to produce a yellow adhesion complexes ( ash, sulfur content: 0.1%, iron content 31.3%, mercury without laboratory)

俄羅斯的學(xué)者在研究天然氣滲碳淬火中的氫脆問(wèn)題時(shí)發(fā)現(xiàn)H2S出現(xiàn)在空穴中MnS、NiS出現(xiàn)在空穴的表面層。因此我們?cè)谝M(jìn)俄羅斯的天然氣放熱式設(shè)備流程中兩次脫硫要求硫含量特別低0.5 mg/m3以下……

Rx中的裂解劑由于S化物和汞化物的形成使裂解劑裂解效果下降外，使裂解中的鎳組成的多孔形狀，發(fā)生體積膨脹，粘接松馳而碎化……。這樣裂解劑的服役壽命大大下降。Rx發(fā)生器定期燒炭黑，我想還有脫硫、脫汞作用……。

Rx發(fā)生器的不銹鋼因硫和汞的滲入并形成硫化物，汞化物而發(fā)生斷裂，斷口為亮晶塊斷口，銀亮點(diǎn)……。（65年我們研究天然氣末凈化通入自行設(shè)計(jì)的75KW無(wú)馬弗罐、振底爐，電阻絲Cr20Ni80,發(fā)生亮晶塊斷口，銀亮點(diǎn)銼刀也銼不動(dòng)，金相組織為馬氏體。這奧氏體→馬氏體相變，除用氫壓說(shuō)（氫→晶間的偏聚使壓力增大，奧氏體在應(yīng)力的作用下→馬氏體相變）和減弱內(nèi)聚力機(jī)理（氫→晶間的偏聚使奧氏體內(nèi)聚力減弱→奧氏體失穩(wěn)→馬氏體相變）來(lái)解說(shuō)外，我想還與硫、汞有關(guān)，耐熱鋼的振底爐板出現(xiàn)如圖2的視觀…….爐灰分析為：硫化鐵、氧化汞）

2）直生式氣氛

重慶嘉陵集團(tuán)采用凈化后的天然氣直生式滲碳在有效硬度層深度0.8mm情況下，非馬氏體組織能控制在5μm以下。

3）氮→甲醇→（凈化后的天然氣）

該工藝下：由于（1）氮?dú)獾闹苽渫ǔＳ帽∧せ蚪固糠肿雍Y制氮，在運(yùn)行初期氮?dú)饧兌饶苓_(dá)99.99%。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，逐漸衰減一般2年后就很難達(dá)到99.99%，影響滲碳淬火件非馬氏體組織的控制。當(dāng)然若采用液氮一般較穩(wěn)定，但液氮較貴。

（2）甲醇：在制造過(guò)程絕大多數(shù)為天然氣制備，其中水和有機(jī)硫、無(wú)機(jī)硫的控制不高（要達(dá)到優(yōu)質(zhì)純凈的甲醇應(yīng)采用“氨水、甲醇凈化設(shè)備”，可達(dá)到水份（露點(diǎn)）＜-42℃、有機(jī)硫≤3mg/m3、無(wú)機(jī)硫≤1mg/ m3，就會(huì)使熱處理質(zhì)量穩(wěn)定提高）。所謂99.99%的甲醇本身就是忽悠……，而且硫不控制……。

總之，采用“氮→甲醇→凈化后的天然氣”的非馬氏體組織的控制，就能穩(wěn)定地、可靠地達(dá)到5μm以下。

四川有一家工廠，只除天然氣中的無(wú)機(jī)硫，不除有機(jī)硫，其錐齒輪在直生式氣氛滲碳爐中滲碳18h，淬火后的非馬氏體組織層深達(dá)40μm。某集團(tuán)公司的熱處理廠用氮+甲醇+丙酮的滴注式滲碳法，所用的氮以空氣經(jīng)薄膜分離法制備，經(jīng)凈化到99.99%的純度。在*初生產(chǎn)的兩年期間，滲碳淬火件的非馬氏體組織層厚度能控制到＜3μm。但隨著時(shí)間的推移，制氮的膜分離系統(tǒng)和PSA制氮機(jī)不能保證正常運(yùn)行，使產(chǎn)出氮的純度受到影響。目前滲碳層0.8～1.2mm的工件滲碳淬火后，表層非馬氏體組織層厚度達(dá)20-30μm。當(dāng)甲醇含水、硫量大時(shí)，非馬氏體組織層厚度曾達(dá)到40μm，使?jié)B碳淬火件表面硬度明顯下降。因此，在滴注式滲碳時(shí)，必須嚴(yán)格控制甲醇、煤油等滲劑中的含水、硫量。同理，在碳氮共滲時(shí)也要控制氨中的含水、硫量。含水、硫量越低越好。目前市場(chǎng)有氨氣凈化設(shè)備，我想我們的發(fā)明專(zhuān)利氨氣凈化設(shè)備“凈化”2字被通用了……再進(jìn)一步細(xì)致地詢問(wèn)，實(shí)為氨氣脫水設(shè)備……。脫水深度？服役如初的壽命是多少？

2.4 稀土滲碳技術(shù)減少非馬氏體組織的形成[12]

杜紅兵、孫少權(quán)、閆牧夫、劉志儒、張國(guó)良等在研究稀土滲碳技術(shù)中對(duì)20CrMnTi、20CrMnH、20CrNiM等叁種鋼進(jìn)行有、無(wú)稀土元素滲碳的對(duì)比試驗(yàn)表明，稀土元素添加能夠有效地改變零件表面的結(jié)構(gòu)，促使?jié)B碳速度加快。對(duì)于同樣的滲層要求，滲層時(shí)間可縮短、內(nèi)氧化時(shí)間減少、非馬氏體組織減少。本人認(rèn)為是稀土的參與有可能阻礙了氧的擴(kuò)散，在非馬氏組織層深12.5μm情況下，無(wú)黑帶組織，只有第二個(gè)黑網(wǎng)，見(jiàn)圖8。

該試驗(yàn)是在天然氣未凈化下進(jìn)行，本人估計(jì)若在凈化后的天然氣條件下進(jìn)行，由于目前真空滲碳采用C2H2中有水和有機(jī)硫，無(wú)機(jī)硫約6mg/m3，有可能其效果會(huì)超過(guò)真空滲碳結(jié)果。

2.5 其它催滲技術(shù)的應(yīng)用

首先由于催滲使?jié)B碳時(shí)間縮短，內(nèi)氧化時(shí)間也相應(yīng)地縮短，就此也使非馬氏體組織減少。

人們采用C-N共滲技術(shù)，讓N來(lái)催滲，此技術(shù)問(wèn)題是供Nad的機(jī)制。常用供Nad的機(jī)制為氨氣[2]，只有將氨氣中的水、有機(jī)硫、無(wú)機(jī)硫控制的很低時(shí)，非馬氏體組織才能穩(wěn)定地減少。

2.6 低壓真空滲碳技術(shù)的應(yīng)用

  德國(guó)波爾舍、奔馳、寶馬等對(duì)質(zhì)量要求高的齒輪均采用這一技術(shù)，來(lái)控制滲碳表面硬度和非馬氏體組織和變形（滲碳后不再加工齒面）。重慶旺成齒輪公司采用德國(guó)lpsen爐；宜賓五糧液廠采用法國(guó)ECM爐的唯一缺點(diǎn)是先進(jìn)設(shè)備昂貴，生產(chǎn)量較低。

重慶旺成齒輪公司采用Ipsen爐，在有效硬化層深度0.8mm情況下，一般非馬氏體組織≤3μm，但也有時(shí)候超過(guò)3μm。本人認(rèn)為是由于使用的氣源為C2H2（重慶地區(qū)為天然氣制造，含總硫約6mg/m3波動(dòng)、水份為常溫），非馬氏體組織層深將隨無(wú)機(jī)硫、有機(jī)硫、水份的含量波動(dòng)而波動(dòng)，與空氣密度（1.27kg/m3）相比，乙塊為1.17，甲烷為0.72,丙烷為1.9。甲烷*輕，分子鏈*小，*易裂解，不易在在爐內(nèi)產(chǎn)生死角，（不少?gòu)S家用甲烷和乙塊做對(duì)比試驗(yàn)，由于乙塊是天然氣制造，已經(jīng)脫硫處理，含總硫6mg/m3左右，而甲烷未經(jīng)凈化使對(duì)比度的研究欠公平，其結(jié)果是“誤區(qū)”）。若采用凈化后的天然氣，一般總硫可控制為1mg/m3、水份（露點(diǎn)）-50℃以下，必然有好轉(zhuǎn)。所得的滲碳系數(shù)等數(shù)據(jù)，必然是新的發(fā)現(xiàn)……。期待你去發(fā)現(xiàn)……。必將載入史冊(cè)！

當(dāng)然，真空爐的設(shè)備投資很大、產(chǎn)量較小，是具有局限性的。德國(guó)sew公司采用Rx氣氛多用爐累計(jì)，已訂30m3/h天然氣凈化設(shè)備共拾臺(tái)套……。年節(jié)約400萬(wàn)左右。

2.7 不同滲碳鋼種的影響

含Cr、Ti、V鋼的內(nèi)氧化傾向小，在鈦鋼中若鈦含量太高，方晶鈦的形成使?jié)B碳速度下降，鋼中含微量硼或加入0.2%～0.4%Mo能使C曲線右移，提高了鋼的淬透性，使?jié)B碳淬火后表層非馬氏體組織層變淺。

2.8 熱處理工藝和設(shè)備

鋼件滲碳后，適當(dāng)提高淬火加熱溫度，亦可使過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變TTT曲線右移，從而減少非馬氏體組織。充分排除滲碳爐中的殘留空氣，使?jié)B碳?xì)夥辗€(wěn)定，也能減少滲碳淬火件的非馬氏體組織。爐子的密封性好，爐外空氣不會(huì)侵入，也是保證減少非馬氏體組織的有效措施。不同廠家的設(shè)備由于密封性差異空氣的侵入滲碳件表面層非馬氏體組織的厚度也有差異。分別考慮吸熱式、滴注式、直生式，那么滲碳件表面層非馬氏體那種工藝*少，目前國(guó)內(nèi)外不少使用廠家均探討這一問(wèn)題……。

我們接觸的韓國(guó)人、美國(guó)人、德國(guó)人、日本人在國(guó)內(nèi)的著名企業(yè)均采用吸熱式氣氛……。德國(guó)SEW公司世界著名的齒輪滲碳領(lǐng)域的頂尖人物波倫莫斯特博士講，吸熱式氣氛質(zhì)量穩(wěn)定……。

2.9 淬火冷卻介質(zhì)的影響

滲碳后施行劇烈的淬火冷卻可有效減少非馬氏體組織（不腐蝕條件下的晶間氧化與淬火液的冷卻速度無(wú)關(guān)）在不導(dǎo)致開(kāi)裂和產(chǎn)生嚴(yán)重畸變的前提下，盡量采取冷卻快的淬火介質(zhì)對(duì)減少非馬氏體組織有利。用PAG水溶液淬火比用淬火油有利，用快速淬火油比用普通淬火油有利。為防止變形*好選擇珠光體轉(zhuǎn)變速度快而馬氏體轉(zhuǎn)變速度慢的淬火液（作者1的創(chuàng)新，即PAG-ⅢB具有的特性在10%濃度下珠光體冷速比水、聚乙稀醇快而馬氏體冷卻速度近於普通油己在全國(guó)推廣特別是滲碳淬火件網(wǎng)帶爐，己有30臺(tái)應(yīng)用）。

3  各種設(shè)備和工藝下滲碳淬火件表面層的非馬氏體組織層深的比較和評(píng)述

3.1 有效硬化層深度

由于各工廠產(chǎn)品要求的有效硬化層深不同，因此在比較時(shí)，請(qǐng)注意有效硬化層深度。

注：若A件有效硬化層深為0.8mm，B件有效硬化層深為2A（即1.6mm），那么一般B件的滲碳時(shí)間為A的一倍以上，內(nèi)氧化時(shí)間也是一倍以上，由于氧和碳在這種條件下擴(kuò)散系數(shù)的不同，非馬氏體組織B件不一定就是A件的一倍，但從表1中可見(jiàn)：株齒公司馬學(xué)文發(fā)現(xiàn)有效硬化層深為1.6mm，檢測(cè)的非馬厚度5μm左右。這樣就目前進(jìn)入國(guó)內(nèi)的低壓真空爐滲碳，由于氣源凈化度不穩(wěn)定，市場(chǎng)上的乙塊、丙烷總硫約6mg/m3左右，有臭味，貯氣罐內(nèi)有黃色沉淀物，水份為常溫，也很難達(dá)到這一穩(wěn)定的結(jié)果。

表1  用齒形試樣在科筐內(nèi)9個(gè)點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果（株齒提供）

Table 1 Carbon concentrations measured by using tooth shape specimens at 9 points in pocket (The provision of zhuteeth)

*注：（1）淺腐蝕，若試驗(yàn)使用鑲嵌試樣，其結(jié)果還要好些；（2）原淬火油碳黑較多，估計(jì)一年后結(jié)果還要好。

3.2 國(guó)內(nèi)部分廠家滲碳淬火件表面層非馬氏體組織金相檢查

重慶旺成、湖南株齒、四川丹齒、長(zhǎng)春一汽等廠家滲碳淬火件表面層非馬氏體組織金相檢查結(jié)果見(jiàn)表2，金相照片見(jiàn)圖3～圖8。在國(guó)產(chǎn)風(fēng)電齒輪上有效硬化層深3mm,晶間氧化15～20μm,處于世界領(lǐng)先數(shù)據(jù)(采用天然氣凈化設(shè)備)

表2  部分滲碳淬火件表面層非馬氏體組織金相檢測(cè)結(jié)果

Table 2 Partial cementite quenching surface layer non-martensite organization metallography examination result

#：1).淺腐蝕;2)100×;3)非馬氏體組織層,只呈現(xiàn)第二個(gè)黑網(wǎng)

圖3  重慶旺成齒輪非馬金相照片(硬化層為0.90mm)

Graph 3 Chongqing Wnagchen the gear non-mark in picture prosperously (The hardened level is 0.90mm)

圖4  重慶旺成齒輪非馬金相照片(硬化層為1.10mm)

Graph 4 Chongqing Wnagchen the gear non-mark in picture prosperously (The hardened level is 1.10mm)

圖5 株齒公司非馬金相照片(硬化層為1.60mm)

Graph 5 Zhutooth company non-markin picture (The hardened level is 1.60mm)

圖6  丹齒公司非馬金相照片(硬化層為0.90mm)

Graph 6 Dan tooth company non-markin picture(The hardened level is 0.90mm)

圖7  丹齒公司非馬金相照片(硬化層為0.60mm) C-N共滲

Graph 7 Dan tooth company non-markin picture(The hardened level is 0.60mm) C-Naltogether infiltratates

圖8 長(zhǎng)春一汽未凈化天然氣(Rx氣氛)齒節(jié)非馬相組織

Graph 8 Changchun FAW has not purified the natural gas (the Rx atmosphere)the tooth festival non-hose to organize

圖9 重慶新興通用：17CrNiMo6風(fēng)電齒輪在豐東BBHG-5000預(yù)抽真空多用爐上進(jìn)行“2.5mm滲碳+淬火+回火”處理后，實(shí)測(cè)晶間氧化（不腐蝕）深度為16.52μm

Graph 9 Chongqing new general:17CrNiMo6wind power gear in Feng Dong BBHG-5000vacuum furnace for "2.5mm carburizing and quenching + tempering" treatment, observed intergranular （oxidation corrosion） depth of 16.52μm

3.2.2 部分非馬金相組織檢查簡(jiǎn)評(píng)

1）從圖3、圖4、圖5可見(jiàn)：齒節(jié)非馬組織重慶旺成不如湖南株齒，而從齒根來(lái)看株齒較厚但無(wú)黑帶。不能單純從非馬組織厚薄來(lái)比較內(nèi)氧化的多和少。由于株齒采用快速光亮淬火油淬火，比旺成的高壓氣淬冷卻快。在齒節(jié)得到表現(xiàn)非馬氏體組織較少；在齒根部位由于相對(duì)冷卻較慢，非馬氏體組織較旺成厚，暴露了株齒相對(duì)內(nèi)氧化多。

2）從圖5、圖6可見(jiàn)：都是采用中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利的天然氣凈化，且都為RX氣氛，而株齒齒節(jié)非馬很少（除了各地區(qū)天然氣主要成分CH4有偏差外）。長(zhǎng)春一汽大眾（采用發(fā)明專(zhuān)利的天然氣凈化設(shè)備，RX氣氛），經(jīng)交流現(xiàn)產(chǎn)品呈光亮銀灰色無(wú)碳黑，有效硬化層深0.6mm時(shí)，非馬降至5μm以下,現(xiàn)還有進(jìn)一步深入探討改進(jìn)的余地。

3）從圖6、圖7比較：同樣都是采用凈化后的天然氣，因C-N共滲溫度低和有效硬化層深度少，本應(yīng)非馬少，但實(shí)際上比圖6多，是由于C-N共滲使用的NH3沒(méi)有凈化，若采用國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利的甲醇、氨氣凈化設(shè)備，必然大大好轉(zhuǎn)（丹齒公司原來(lái)所訂天然氣設(shè)備凈化氣量為10m3/h，現(xiàn)實(shí)際使用氣量約20m3/h，其非馬明顯比5年前的≤3μm增厚）。

4）比較圖5、圖8、表1：都是采用RX氣氛天然氣滲碳，而株齒采用了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利“凈化的天然氣”，并且株齒有效硬化層深度為1.60mm,其非馬組織在齒節(jié)處非常低。當(dāng)然，有一點(diǎn)必須說(shuō)明，株齒非馬組織齒根較厚、齒節(jié)較薄，說(shuō)明該廠采用了快速光亮淬火油其冷卻較快……，對(duì)齒節(jié)有一定的效果。眾所皆知：齒輪的使用狀態(tài)是以齒節(jié)為首，因此針對(duì)GB/T9450-2005《鋼鐵滲碳淬火硬化層深度的測(cè)定和校核》，應(yīng)強(qiáng)調(diào)齒輪非馬的測(cè)定除了應(yīng)淺腐蝕外，還需指出齒節(jié)為驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，齒根為參考值。齒根部位非馬也應(yīng)適當(dāng)控制且不允許有黑帶的形成，這是防止齒根疲勞斷裂的重要指標(biāo)……。

4  滲碳淬火后的噴丸、磨齒（剃齒工藝一般在滲碳前加工滲碳后不再加工本文從略）

4.1 噴丸強(qiáng)化

噴丸強(qiáng)化工藝，可以使表面層非馬氏體組織減少的同時(shí)，使表面壓應(yīng)力增大，提高了齒輪在運(yùn)行中的耐磨性、疲勞性，己廣范應(yīng)用。對(duì)噴丸的研究發(fā)展了硬噴丸（500HV以上）和二次噴丸（即先進(jìn)行硬噴丸后再進(jìn)行小粒噴丸。強(qiáng)韌性噴丸粒的開(kāi)發(fā)，均取得可喜的效果……）。

西安交大何家文教授對(duì)這種壓應(yīng)力進(jìn)行研究，該壓應(yīng)力隨溫度的上升而逐漸衰減，一般在400℃左右就衰減完畢。因此，對(duì)高速齒輪，就應(yīng)特別注意：所謂國(guó)產(chǎn)齒輪比不了進(jìn)口齒輪，這也許是其中的原因之一。

4.2 磨齒工藝

磨齒可以使表面層非馬氏體組織降低的同時(shí)，使齒輪尺寸精度提高，但好的磨齒設(shè)備售價(jià)一千多萬(wàn)人民幣一臺(tái)，磨削后使齒輪表面壓應(yīng)力轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力，不利于齒輪耐磨性疲勞性的提高。

目前，國(guó)內(nèi)外廠家均采用各種措施減少變形，減少滲碳齒輪非馬氏體組織層深，以達(dá)到不磨齒、少磨齒的目的。如：德國(guó)sew公司，國(guó)內(nèi)湖南株齒、重慶青山、四川丹棱齒輪等公司，不僅提高了功效和降低成本，而且提高了滲碳齒輪的質(zhì)量。

5  結(jié)論

測(cè)量滲碳淬火件表面層非馬組織必須要淺腐蝕，資料[16]的日本和韓國(guó)學(xué)者有誤（看非馬未淺腐蝕），減少滲碳淬火件非馬氏體組織的措施主要有：

（1）盡可能用低碳烴和高純度氣體做制備滲碳?xì)怏w的原料氣，其中以天然氣*優(yōu)[5、6、7]；

（2）盡可能選用含Cr、Ni、Ti、V、Mo的高淬透性合金滲碳鋼；

（3）從工藝和設(shè)備上采取措施，保證爐氣不受空氣污染，減少氧硫的進(jìn)入；

（4）盡可能采用激烈的淬火冷卻介質(zhì)和冷卻方式。為防止變形和開(kāi)裂，特別要選擇珠光體轉(zhuǎn)變速度快而馬氏體轉(zhuǎn)變速度慢的淬火介質(zhì)；

（5）對(duì)滲碳齒輪而言，表面層非馬的測(cè)定[2]參考QC/T262-1999《汽車(chē)滲碳齒輪金相檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，除強(qiáng)調(diào)淺腐蝕外，還需指出以齒根為參考值，齒節(jié)為驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，不容許有黑帶存在，只準(zhǔn)許有第二條黑網(wǎng)。

  一般講：模數(shù)越大，齒節(jié)非馬＜齒根非馬，兩者非馬相差越大；模數(shù)越小，齒節(jié)非馬與齒根非馬相差越小。

（6）對(duì)重載齒輪為防止疲勞斷裂（一般從齒根非馬氏體組織萌生裂紋源而擴(kuò)展）齒根非馬盡可能控制在35μm以內(nèi)……越少越好……不允許黑帶的存在……。

參  考  文  獻(xiàn)

[1]  李志義，李曉澎.滲碳淬火件表面層非馬氏體組織形成的原因和防止措施[J].金屬熱處理,2000,25(11):37.

[2]  李志義、李曉澎等.淺談某些熱處理氣源和金相標(biāo)準(zhǔn)中的某些問(wèn)題[J].金屬熱處理,2008,33（3）:116-119.

[3] 胡明霞、譚崇凱、毛孝彬、溫才云。從動(dòng)錐齒輪滲碳淬火后異常畸度分析[J]金屬熱處理2009 34（12）93～96

[4] 肖亞航、傅敏士、袁森。45鋼內(nèi)部裂紋愈合的熱處理試驗(yàn)研究[J]。金屬熱處理,2005,30（6）:83～85.

[5]  李志義、李曉澎.可控氣源的選擇[J].金屬熱處理, 1996,(1):52.

[6]  李志義、田榮華、葛友海、胡培中、熊軍、熬思渝,等.天然氣滲碳的另一機(jī)理CH4→Cad+H2及其優(yōu)化措施（C）.第八次全國(guó)熱處理大會(huì)論文集.

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[11]  樊東黎主編。機(jī)械工程標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)[M].熱處理類(lèi)/《機(jī)械工程標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》,2003(4):264.

[12] 杜紅兵、孫少權(quán)、閆牧夫、劉志儒、張國(guó)良，等.稀土滲碳技術(shù)對(duì)改善非馬組織的影響[M].2007年（長(zhǎng)春）齒輪滲碳淬火技術(shù)專(zhuān)題研究會(huì)，論文、譯文集.論文：102-118.

[13] 薜婷婷（法士特公司）大型機(jī)械齒輪軸類(lèi)零件的熱處理工藝[J]金屬熱處理2011,36(7):74～75

[14] 英國(guó)Bodycote熱處理有限公司W(wǎng).Hewitt.關(guān)于直接注入碳氮化合物/空氣氣氛（超級(jí)滲碳?xì)夥眨B碳的觀點(diǎn)[J].國(guó)外金屬熱處理,2004,(5):29.

[15] 德國(guó)LindeAG公司M.Lohymann等.在AvaC低壓滲碳中控制乙炔及其反應(yīng)物[J].國(guó)外金屬熱處理, 2004,(5):32.

[16] M.Kato，K.lnone，G.Deng（日本），B.S.Jeong（韓國(guó)）翻譯：朱萬(wàn)斌，核對(duì)陳乃錄，滲碳齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度,的尺寸效應(yīng)（C）.2007年（長(zhǎng)春）齒輪滲碳淬火技術(shù)專(zhuān)題研討會(huì).論文、譯文集(譯文):85-94.

注：此論文在08.8上海中國(guó)熱處理周宣講;08.9太原中國(guó)熱協(xié)論文集37～44;[J]齒輪傳動(dòng),2011,6,79～86.現(xiàn)在又補(bǔ)充了（風(fēng)電、重載）齒輪中國(guó)人發(fā)現(xiàn)滲碳表面層晶間氧化處于世界領(lǐng)先地位。2012.03

注：此文已刊登在《齒輪傳動(dòng)》雜志2011年6月刊P79~P86