023-86669155
023-86669155
李志義1、田榮華2、葛友海3、胡培中4
（1、重慶義揚(yáng)公司、重慶長(zhǎng)江電爐廠電話023-86669155（辦）、13002366762 2、重慶青山機(jī)械廠 郵編402761 3、重慶紅巖汽車廠車轎廠 郵編402300 4.重慶機(jī)床廠 郵編 400055）
前言：伴隨著改革開放、入世。所制造的產(chǎn)品能否打入國際先進(jìn)國家市場(chǎng)，滲碳淬火件、氣體軟氮化件質(zhì)量要求越來越高。本文只著重討論工藝問題，預(yù)祝：采用世界**的設(shè)備，只有采用世界**流的工藝，才能生產(chǎn)出世界**流的產(chǎn)品。本人認(rèn)為**流的指標(biāo)：以滲碳或碳氮共滲為例。表面硬度HRC61以上（HV1轉(zhuǎn)換），非馬≤3μm （淺腐蝕）、產(chǎn)品表面光亮，無碳黑，碳化物極度彌散。馬氏體組織1-2級(jí)，殘A8%以下，變形極小，不磨齒或很少磨齒。硫化物、氧化物＜1級(jí)，同爐同鋼號(hào)同形狀尺寸產(chǎn)品硬度波動(dòng)±1HRC。
一、怎樣使?jié)B碳淬火件質(zhì)量提高
1、滲碳淬火件表面硬度和非馬氏體組織（1）：
在滲碳淬火件表面層中經(jīng)常出現(xiàn)連續(xù)或不連續(xù)的網(wǎng)狀或塊狀黑色組織，此處恰好不是表層壓應(yīng)力*大的區(qū)域，已被公認(rèn)是由于內(nèi)氧化而貧合金化元素導(dǎo)致形成屈氏體類組織，也被稱為非馬氏體組織。一旦形成此類組織，其后果是降低表面硬度和耐磨性以及疲勞極限。因此國內(nèi)外知名的車輛制造廠家大都對(duì)非馬氏體層厚度有明確的規(guī)定，如德國波爾特、奔馳、寶馬公司要求此層厚度必須在3μm以下。非理由是：①滲碳出來要磨齒：磨齒將壓應(yīng)力轉(zhuǎn)成拉壓力。②噴丸強(qiáng)化，該壓應(yīng)力在高速旋轉(zhuǎn)生熱中衰減。不磨齒不行？不磨齒是現(xiàn)代生產(chǎn)齒輪的熱門話題。采用多用爐生產(chǎn)的齒輪不磨齒的廠家，重慶地區(qū)有重慶青山工業(yè)公司等（3.7）。縮短滲碳時(shí)間，碳化物極度彌散節(jié)省大量機(jī)加工費(fèi)用，領(lǐng)先于：世界任何先進(jìn)國家。
1.1.1關(guān)于非馬氏體組織
滲碳淬火件的非馬氏體組織包括表面脫碳形成的鐵素體，表層沿晶界形成的屈氏體，有的鋼種是貝氏體。非馬氏體組織層和鋼表面含碳量關(guān)系的示意圖1。有此種組織工件的表層含碳量由表及里成逐漸升高趨勢(shì)，到*高值后在逐步降至心部含碳量。與*大含碳量位置相對(duì)應(yīng)也是淬火后*大壓應(yīng)力的地方。
1.1.2非馬氏體組織的范圍：在滲碳過程中，由于內(nèi)氧化的原因，使?jié)B體表面碳含量下降產(chǎn)生非馬氏組織，這些組織初生鐵素體，初生屈氏體（連成一片稱黑帶，未連成一片稱黑網(wǎng)），部分鋼種的貝氏體。均為非馬氏體組織。如圖1：滲碳淬火鋼非馬氏體組織層和表層碳濃度的關(guān)系
1.1.3相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)
中國國標(biāo)GB/T8539-2000；1級(jí) | 德國大眾 | 德國波爾舍、奔馳、寶馬 | ||
HRC58滲層＜0.75㎜ 非馬＜12μm 以上 0.75-2.25㎜ 非馬＜20μm | HRC60以上 | 非馬≤10μm | HRC61以上 | 非馬≤3μm |
（若用HV1轉(zhuǎn)換大約HRC53） | （HV1轉(zhuǎn)換） | 金相淺腐蝕 | （HV1轉(zhuǎn)換） | 金相淺腐蝕 |
1.2滲碳淬火件采用二次淬火，即在滲碳完成后在爐內(nèi)空冷，而后重新加熱再淬火。
使淬火組織細(xì)密、馬氏體針較細(xì)殘A下降（國標(biāo)400倍金相測(cè)殘A的缺陷：在400倍顯微鏡下，殘A中的大量的馬氏體島看不到、而硬度不低，磁性檢測(cè)殘A合格）、變形小，耐磨性好；缺點(diǎn)：工藝流程時(shí)間太長(zhǎng)。熱處理設(shè)備較差，內(nèi)氧化增加。
1.3滲碳?xì)庠吹倪x擇（2）：天然氣＞丙烷＞丙酮）；*成功的“超級(jí)滲碳?xì)夥铡笔强諝?甲烷基（9）。
1.4滲碳過程中盡可能避免CO Cad+CO2的滲碳機(jī)理：該機(jī)理必然是一邊滲碳一邊氧化。
1.5直接生成無氧參加下的滲碳技術(shù)是近代新技術(shù)的熱門課題。
1.5.1目前能產(chǎn)生的無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）
甲烷 CH4 * | Cad+H2 | *早發(fā)現(xiàn)是蘇聯(lián)學(xué)者1966年，70年代德國、美國學(xué)者持同樣觀點(diǎn) | |
丙烷C3 H8 | C+2CH4 * | 3Cad+H2 | |
C3 H8 | C2 H4+ H4 | Cad+CH4 * 3Cad+H2 | |
C3 H8 | C2 H2+ H2+ CH4 | 2Cad+CH4+2H2 * 3Cad+H2 | |
乙烯C2 H4 | Cad+CH4 * 2Cad+H2 | ||
乙炔C2 H2 | 2Cad+H2 | 德國易普森和法國湯姆森在低壓真空爐內(nèi)使用。 | |
重慶地區(qū)的乙炔C2H2也是天然氣制造的。均存在含水、含硫指標(biāo)。
要使無氧參加下滲碳技術(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：
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（8）。有的廠家勿略上述問題，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市場(chǎng)。以空氣密度1.27㎏.m-3，乙炔1.17、甲烷0.72、丙烷1.9，可見甲烷*易裂解，不易在爐內(nèi)存在死角（10）。
1.5.2 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)的穩(wěn)定性、可靠性控制。
由于城市天然氣中含有水和有機(jī)硫、無機(jī)硫：而且波動(dòng)很大以至于同一外國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)而無水、硫介念……（4）。對(duì)硫引起氧探頭壽命的思路不明（5），重慶地區(qū)：（3）有機(jī)硫30－248mg/m3，無機(jī)硫10－70 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，無需停產(chǎn)。
古老的天然氣資料930℃以上裂解充分，隨著溫度的下降不易充分裂解，現(xiàn)在呢？910℃滲碳長(zhǎng)期、穩(wěn)定地?zé)o碳黑表面光亮。滲碳的表面硬度和非馬氏體組均達(dá)到德國波爾舍、奔馳、寶馬企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。850～860℃ C—N共滲表面也光亮、無碳黑。（重慶綦江化肥廠、永川天然氣研究所，因每周檢測(cè)，而放棄川維廠廖永康，將兩種脫硫劑分段裝的常溫高效脫硫劑，資料我?guī)砹耍?。這種分裝，使活性碳一次使用，不便再生（活性碳再生溫度105℃、50次再生報(bào)廢），天然氣含硫高要滲硫。對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量設(shè)備壽命，氧探頭壽命、耗氣量增加影響很大。
1.5.3 采用真空低壓滲碳技術(shù)：德國波爾舍、奔馳、寶馬質(zhì)量要求高的齒輪均采用這一技術(shù)，控制滲碳表面硬度和非馬組織和變形（滲碳后不再加工齒面）。重慶旺成、德國易普森；宜賓五糧液廠、法國湯姆森；唯一缺點(diǎn)：先進(jìn)設(shè)備較貴，生產(chǎn)量較低。
1.6 天然氣的質(zhì)量問題：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] [9]，它不僅僅是價(jià)廉，能大大降低成本（四川重型汽車制造廠采用凈化的天然氣生產(chǎn)后單氣源耗損年節(jié)約約50萬元，一汽大眾也取得相似效果），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[2](淺腐蝕)、表面硬度HRC61以上（HV1轉(zhuǎn)換）；碳化物極度彌散[3]（該文金屬熱處理編輯將總硫5mg/m3控制改為20mg/m3控制）。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關(guān)。
我國應(yīng)用天然氣是世界上*早的國家，有1000多年歷史。廣義地講，天然氣可分油成氣、（大慶等）氣成氣（四川等）、煤成氣等。狹義地將煤成氣（瓦斯）分出。對(duì)其成因，氣礦、天然氣處理及脫硫廠等。請(qǐng)參考［11］，本文不作介紹。
1.6.1城市民用天然氣情況
民用天然氣或稱城市用天然氣為I和II標(biāo)準(zhǔn)。III標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)H2S≤20mg/m3，也允許供用。
天然氣技術(shù)要求（ GB17820-1999）
質(zhì)量指標(biāo) | I | II | III | IV | |
總硫mg/m3 | ≦150 | ≦200 | ≦460 | ＞460 | |
H2Smg/m3 | ≦6 | ≦20 | |||
CO2% | ≦3 | ≦3 | |||
水份 | 無游離水 |
重慶臥龍河進(jìn)入城市天然氣有機(jī)硫組成情況。有機(jī)硫經(jīng)研究約26種：
（1）硫醇RSH 甲硫醇CH3SH 一般占有量
乙硫醇C2H5SH 50-200mg/m3
（2）硫醚 RSR 甲硫醚CH3SCH3
乙硫醚C2H5SC2H5 10-100mg/m3
（3）二硫化碳CS2 ＜50mg/m3
（4）二硫化物 R-S2-R（甲二硫醚CH3S2CH3） ＜50mg/m3
（5）氧硫化物 COS （羰基硫） ＜20mg/m3
（6）噻吩C4H4S
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