渗碳模拟技术在优化工艺，提高生产效率方面的应用。

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       目前许多企业的渗碳工艺仍然还是基于以往的经验编制的。虽然这些工艺可以满足企业产品的要求，但这些传统渗碳工艺往往存在着很多缺陷。比如为了避免碳黑的产生采用过低的碳势，因而渗碳时间过长；扩散碳势选择不正确，金相组织不理想；强渗/扩散比例不合适，碳轮廓曲线不合理，从而造成硬度轮廓曲线不合理等等。

       采用渗碳模拟软件可以有效地解决上述问题。最新的软件可以计算出不同渗碳温度下的碳黑形成极限，因而可以根据碳黑生成极限选择合理的强渗碳势，在不形成炭黑的情况下尽量采用高碳势，从而提高生产效率。

       软件可以根据材料的化学成分确定合理的扩散碳势，确保理想的金相组织。

       软件还可以自动给出合理的强渗/扩散时间比例，必要时还会给出不同的两段强渗碳势。

       通过上述优化，可以使传统的渗碳工艺得到优化，提高产品质量，并且显著缩短工艺时间，提高生产效率。

工艺点评：

1     该渗碳工艺采用低于碳黑形成碳势10%强渗，为了获得理想的硬度分布曲线，强渗后期适当降低了强渗碳势。在不形成碳黑的情况下采用高碳势可以显著提高渗速，缩短工艺时间。

2     从回火后硬度分布曲线可以看出，表面是有一定厚度的高硬度层，然后才是平缓的过渡区。是比较理想的硬度分布曲线。

两段强渗工艺曲线和渗碳淬火结果模拟图

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      渗碳的目的是要在低碳材料的表面增加碳含量，以便在淬火后得到较高的表面硬度。在一定的加热温度下，渗碳气氛中提供的活性碳原子与纯铁表面奥氏体中的含碳量相平衡时，对应的纯铁表面含碳量被称为碳势。碳势是衡量气氛渗碳能力的指标。

      然而渗碳能力指标碳势是在纯铁条件下得到的。它并不能直接反映各种合金钢工件与气氛平衡时表面的含碳量。合金系数是反映炉内气氛与工件表面含碳量达到平衡时气氛碳势与合金钢工件表面含碳量关系的系数。其相互关系公式如下：

工件表面含碳量（%C）=碳势（%C）x 合金系数

碳势（%C）=工件表面含碳量（%C）/ 合金系数

      有许多科学家提出了不同的合金系数与钢中合金元素的关系公式。每种公式对于不同的材料计算的合金系数会有所不同。其中最经典的公式是Gunnarson公式。其应用范围最广。Gunnarson公式如下：

      logf=wSi%x0.055+wNi%x0.014-wMn%x0.013-wCr%x0.04-wMo%x0.013

      根据此公式和上面的关系式我们就可以计算出工件表面所需的含碳量所对应的炉气碳势。

      比如20CrMnTi，根据Gunnarson公式计算出的合金系数是1.1。如果我们想得到0.75%C的表面含碳量，则炉气碳势应设定在0.75/1.1=0.68%C。

注：以上文本源自德国索默博士材料科技有限公司渗碳淬火模拟计算软件Case Hardening的介绍。

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      在渗碳过程中，我们一般都希望在强渗阶段尽量采用高碳势，以加快渗碳的速度，缩短渗碳时间。然而有时会由于碳势设置过高或碳势失控在炉膛内和工件表面形成碳黑。碳黑在工件表面会阻碍渗碳过程，无法达到要求的渗碳层深度。碳黑严重时还会损坏设备。

      在不同的渗碳温度下，气氛形成碳黑有一个碳势的临界值，达到这个临界值，炉内和工件表面上就会形成碳黑。这个临界值被称为碳黑形成极限。各种温度下的碳黑形成极限见下面的图表：

      在实际选择强渗碳势时，为防止碳黑形成，我们一般会打出一定的安全系数。最常用的做法是按照碳黑形成极限碳势的90%进行强渗。这样既可以避免碳黑的产生，也可以获得较高的渗碳速度。例如：920℃渗碳时，碳黑形成极限是1.27%C。我们应该选择1.27%x90%=1.14%C的碳势进行强渗。


备注：图表中的数据来源于德国索默渗碳淬火工艺专家系统Case Hadening

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       渗碳过程中由于碳势设置不当，在强渗阶段有可能会在渗层的表面形成碳化物。这种碳化物也被称为二次碳化物。由于表面含碳量是一个逐渐递增的过程，在强渗开始时一般不会产生碳化物。然而随着强渗过程的进行，表面含碳量会逐渐升高。如果碳势过高，当表面含碳量超过碳化物生成极限时，就会产生二次碳化物。

      少量细小弥散分布的二次碳化物可能会随着后续的扩散过程被溶解。但大块的二次碳化物很难在后续的扩散过程中被溶解。因此必须合理限制这种二次碳化物的产生，才能获得优良的金相组织。

       二次碳化物的形成机理可以从下面的铁碳平衡相图中加以说明。


      图中的SE线就是不同温度下形成二次碳化物的含碳量。但对于不同的合金钢，由于合金元素的影响，这个含碳量与铁碳相图是不同的，需要另外计算。

      为了保证渗碳过程中不形成二次碳化物，我们通常应该将强渗后期的工件表面含碳量控制在极限含碳量的90%。

      以20CrMnTi为例，其在920℃渗碳时的碳化物生成极限是表面含碳量1.27%。合金系数是1.1。则其表面含碳量应该控制在1.27%x90%=1.14%C。考虑合金系数的影响后碳势应该设定在1.14%/1.1=1.04%C。


注：相关数据源自德国索默渗碳淬火模拟计算软件Case Hardening

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      我们渗碳的首要目的就是通过碳的加入，使零件表面形成高碳层，在淬火时形成高碳的马氏体组织，提高表面硬度。在实际生产中很多企业对各种材料的零件均采用0.8%C的碳势进行扩散、降温和均温。这种做法值很得商榷。

      一般来说，随着钢中含碳量的增加，淬火得到的马氏体组织硬度越高。然而达到一定的含碳量以后，随着含碳量的提高，淬火组织中会出现残余奥氏体，因此硬度升高变缓或不再升高，出现一个高硬度的平台。随着碳含量的进一步提高，硬度值反而会出现降低。因此渗碳工艺应该尽量保证渗层的含碳量处于高硬度平台区域内。由于不同成分的钢，这个高硬度平台所对应的含碳量是不同的。所以工件表面含碳量也需要相应地调整。

      以16MnCr5为例，其高硬度平台位于含碳量0.75%左右。如果碳势定在0.8%C，由于合金系数的影响，表面含碳量将达到0.88%C。用这样的碳势进行扩散，表面硬度已经明显地低于次表面了。也就是硬度分布曲线出现了表面"低头"的现象。如下图所示：



      图中的所示的碳分布曲线似乎还很好看，但硬度曲线已经出现了明显的“低头”现象。

      如果我们将扩散碳势调整到0.68%C，此时对应的表面含碳量是0.75%C。模拟结果见下图：



      由上图可以看出工件表面的硬度完全处于高硬度平台，曲线变得更加合理，表面的硬度提高了。“低头”现象也没有了。

      显然各种材料渗碳时都选择0.8%C扩散是不合理，需要根据材料渗碳后硬度最高时对应的含碳量和合金系数确定扩散碳势。


注：相关数据和模拟计算源自德国索默渗碳淬火模拟计算软件Case Hardening

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      关于渗碳过程中强渗时间与扩散时间比例的设计，每个企业和每个工艺人员均有不同的理解，目前国内比较流行的方式是强渗和扩散比例采用3:1或2:1。

      经过对各种材料和不同层深的渗碳工艺进行模拟，我们可以发现按照上述方式制定工艺并不合理。存在着强渗时间长，扩散时间短的问题。因此得到的零件表面硬度分布并不理想。对于中深层的零件，普遍存在最表面硬度高，次表面硬度低，再往里硬度又升高的 “波浪” 现象。以20C'r'MnTi，层深1.05mm，采用强渗300分钟+扩散100分钟为例，回火后的硬度曲线见下图：



      上面的图中碳浓度分布曲线也不好，存在明显的"低头"现象。

      为了避免上述的不良硬度曲线，可以将强渗/扩散时间比例调整到1:1，既采用强渗235分钟+扩散235分钟。新的回火后硬度曲线见下图：



      经过上述调整，渗碳时间略有延长，但回火后的硬度和碳浓度分布均得到了显著的优化。表面硬度明显提高，过渡区更加缓和。

       研究认为，强渗/扩散的时间比例应该是一个变量。对于浅渗层的零件，扩散时间可以短一些。随着渗层深度的增加，扩散时间会显著延长。对于中等渗层深度的零件一般可以采取1:1的强渗时间/扩散时间比例。对于深渗层的零件，扩散时间应该显著大于强渗时间。

注：以上理论源自德国索默渗碳淬火模拟软件Case Hardening中的最佳渗碳工艺Optimum Carb。

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       索默“最佳渗碳工艺Optimum Carb”是通过对渗碳工艺过程综合研究，应用索默渗碳淬火模拟软件Case Hardening快速生成的渗碳淬火工艺。

      工艺目标：

1     渗碳淬火回火后工件表面有较厚的，并且硬度均匀的高硬度层。

2     过渡层硬度下降梯度平缓。

3     渗碳工艺周期时间短。

      工艺生成原则：

1     强渗阶段尽量采用高碳势，以提高渗速。但碳势的高度是有限制的。第一碳势不能超过渗碳温度下的碳黑形成极限。第二在强渗阶段的后期，当工件表面的含碳量逐渐升高时，工件表面含碳量不能超过该温度下的碳化物形成极限。

2    扩散阶段要使工件表面的含碳量达到最高硬度对应的含碳量。含碳量  低，硬度低。含碳量过高，由于残余奥氏体的增加，硬度也会变低。

3    设计合理的强渗/扩散时间比例，形成理想的回火后硬度分布曲线。

“索默最佳渗碳工艺”曲线如下图：


模拟结果如下图：


注：以上理论源自德国索默渗碳淬火模拟软件Case Hardening中的最佳渗碳工艺Optimum Carb。

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      可控气氛渗碳经常会遇到内氧化现象。渗碳气氛中的氧分压通常约为10-20 atm。这种很低的氧分压意味着气氛中的氧化铁（FeO）在减少，因为在通常渗碳温度下，氧化铁的平衡氧分压约为10-16 atm。所以对于纯铁来说，可控气氛是还原性气氛。

      然而Mn、Si和Cr等合金元素的氧化物，其平衡氧分压约为10-24至10-30 atm，远低于渗碳气氛中的氧分压。因此，这些元素在渗碳过程中将会发生选择性氧化。这种选择性氧化通常为晶界氧化，但也会有晶粒内氧化，见下图：



      这种选择性氧化会消耗尽基体成分中的合金含量，导致淬透性降低。因此，渗碳钢的最外表面有时会含有珠光体类的非马氏体结构，见下附图：



      在装出炉操作时，炉门打开后也可能会发生不受控制的氧化。特别是在加热期间。

      内部的氧化物可能成为裂纹产生的起点。表面珠光体的形成导致表面产生残余拉应力。因此，如图所示，内氧化对疲劳抗力有明显的不利影响。



      克服内氧化影响的方式可以有以下几种：

1     提高淬火冷却能力。即使合金元素氧化失去了一些淬透性，如果冷却能力充足，则还是可以实现完全马氏体转变的。

2     在渗碳过程的最后一步，向钢的表面加氮，以补偿淬透性的下降。这个过程就像在碳氮共渗过程中添加氨气一样，但仅在渗碳过程结束前添加10分钟左右的5-10%的氨气即可。

3     进行磨削加工，去掉表面的内氧化层。

4     通过强力喷丸减少表面的内氧化层厚度，增加表面的压应力。

5     适当提高扩散阶段的碳势，降低气氛中的氧分压，减少内氧化的发生。


备注：内氧化形成原理源自德国林德公司的资料。

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表面吸氢

       渗碳气氛中的一些氢会以原子形式转移到渗碳钢的表层。氢溶解度随温度升高而增加。淬火时，渗碳后溶解的氢留在表层，导致氢浓度过饱和。在某些情况下，这会导致表层脆化。这种情况对于高强度钢和深渗层零件比较严重。

       回火后，氢将离开表面。但为了确保有效去除，必须增加回火时间或回火温度。

       也可以在渗碳过程结束前用氮气吹扫，以去除炉内气氛中的氢（和其他活性气体），从而使氢从钢中扩散出去。

表面钝化

       渗碳有时会受到阻碍，因为表面会形成一层钝化层，从而阻止或减缓碳的转移。钝化通常是局部的，这会导致一些表面区域渗碳不足或没有渗碳。这可能会导致所谓的“白斑”。钝化的原因目前尚不完全清楚。可能的原因是薄的粘附氧化物层或渗碳前的切削或清洗等操作留下的粘附物质。

       严格的清洗过程和清洗后的充分漂洗可以明显减少“白斑”现象的发生。

       也可以通过在约650℃温度下预氧化或预磷化来激活表面以消除表面钝化效应。


备注：上述原理源自德国林德公司的资料。

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