一、前言

CrWMn鋼制滾絲模采用碳氮共滲再進行螺紋滲硼的復合滲強化工藝后。滾絲模表面共滲層深度達0.3mm，共滲層表面硬度高于碳氮共滲強化表面硬度，取代了氰化鹽浴滲碳工藝，保護了環境。新工藝已應用于工業生產，滾絲模平均使用壽命達到了120萬件，取得了較好的經濟效益和社會效益。

CrWMn鋼制滾絲模(滾絲M8～M45mm)，采用氰化鹽浴滲碳工藝經680℃預熱、820℃淬火、200℃回火，清洗處理后表面硬度為48～52HRC。在使用過程中經常發生早期失效，形式有：牙紋剝落、崩刃、堆牙、牙紋過早磨損、牙型剝落等。滾絲模平均使用壽命不到20萬件，主要原因是滾絲模在鹽浴加熱處理過程中，滲碳溫度高，淬火后零件發生表面脫碳、過熱和腐蝕，嚴重降低了表面硬度、強度、耐磨性、抗疲勞等性能。另外“三廢”污染嚴重，耗電大。經反復探討試驗，采用碳氮共滲再進行螺紋滲硼的復合滲強化工藝，表面共滲層達0.3mm，硬度為1600～1800HV0.1，基體硬度為58～60HRC，滾絲模早期失效極少，達到了平均使用壽命120萬件的要求。

二、試驗材料及試驗方法

試驗材料：CrWMn鋼。

試驗方法：氣體碳氮共滲在RJJ-6-9T井式滲碳爐中進行，采用微機自動控溫，試驗溫度為720、740、760、780、800、820℃。滲劑為氨氣+甲醇+煤油。將自行研制的催滲劑裝入不銹鋼容器內，與試樣一同放入爐中。試樣加工成Φ20mm×100mm試棒。采用HBRVU-187.5布洛維光學硬度計和HX-3型顯微硬度計測量表面顯微硬度，用金相法測量滲層厚度。

試驗過程

1、滲劑的選擇

對滲劑的選擇應具有熱分解溫度不太高，原料供應充足和價格低廉等條件，為此對煤油、甲醇、乙醇、甲酰氨、丙酮、苯胺及氨氣等有機化合物進行了試驗，發現用煤油作滲碳劑，爐內碳黑較多，爐氣碳勢偏低。硬度不能滿足要求。用甲醇作載氣，苯胺作富化氣，爐內碳黑較少，但硬度過高。用甲醇作載氣，煤油作富化氣，爐內碳黑則更少，可進行氣氛的碳勢控制，試棒硬度在58～62HRC。

故選擇甲醇作載氣，煤油和氨氣作滲劑進行碳氮共滲處理，碳勢用CO2紅外儀器控制。

2、稀土催滲劑的配制

在滲碳劑中加入自行研制的液態稀土催滲劑可使滲速提高30％～50％。稀土氯化物(RECl3)可直接向有關化工廠購買。根據需要將稀土氯化物按不同比例溶于甲醇或乙醇中，得到稀土催滲劑，即可直接滴入井式滲碳爐中進行催滲處理。經查閱相關文獻和反復試驗論證，得到稀土碳氮催滲劑的最佳質量(g)比為甲醇：甲酰胺：尿素：稀土=1 000：(160±30)：(130±10)：(7±3)。稀土催滲劑的用量根據工件裝載量和表面積大小等因素進行調整。

三、工藝參數的確定

1、共滲溫度

碳氮共滲含氮量隨著溫度提高而降低，滲層厚度又隨著溫度提高而提高，要保持一定的含氮量和一定的滲層厚度，結合滾絲模要求滲層不厚和變形小，考慮溫度選在720、740、。760、780、800、820℃6種。試驗結果如圖2所示，隨著溫度的提高，共滲層厚度呈上升趨勢，考慮工藝操作及組織、硬度和技術指標質量的穩定性，最后選用800℃為共滲溫度。

2、共滲時間

圖3為采用800℃共滲溫度，滲層厚度隨時間變化曲線。滲層厚度隨時間延長呈上升趨勢。共滲90min的滲層厚度達0.2mm以上，共滲180rain滲層厚度達0.4mm，根據滾絲模滲層厚度要求大于0.25mm。故選用150min共滲時間。

圖3還顯示，當時間超過180min后，催滲劑對滲層厚度的影響明顯下降，共滲180rain的試樣與共滲240min的試樣滲層厚度相差很小。原因是在共滲初期，試樣表面還沒有形成一定厚度的滲層，共滲過程的控制因子主要是產生活性原子的界面反應和吸收活性原子的過程，因此催滲的效果明顯；共滲180min后，試樣表面已基本被碳、氮原子所飽和，因而吸收活性原子的速度減慢，催滲效果不及初期明顯。

 三、工藝操作過程

氣體碳氮共滲工藝的質量控制，實際上是控制共滲工藝過程的碳氮勢，可用CO2紅外儀控制。操作過程包括開爐前的準備，零件裝爐及裝爐后的排氣，共滲處理及零件出爐后淬火、回火等階段，保證工藝穩定，共滲件質量得到保證。綜合工藝試驗，并經過反復驗證，得出圖4滾絲模復合滲強化工藝。

將經碳氮共滲的滾絲模螺紋表面粗糙度研磨至Ra0.8µm，清理干凈后，涂以膏體滲硼劑(膏體滲硼劑質量分數為：Na2B4O725％+KBF410％+稀土氯化物5％+石墨60％)。自然干燥后，密封裝入滲箱，進行840℃×3h滲硼，保溫后開滲箱直接對滾絲模螺紋噴10％NaCl水溶液冷卻，淬火冷至200℃后油冷，立即轉入240℃硝鹽槽內回火2h。

1、準備工作

開爐前必須檢查滲劑管路系統是否暢通，爐罐及排氣管清理干凈，檢查清理完畢后將爐溫升到共滲溫度。

2、裝爐密封

裝爐量應按照裝爐工件的總面積來衡量。表面積越大，需補充更多的滲劑，才能保持較穩定的碳氮勢和滲勢，60kW井式爐裝爐工件表面積6～9mzo按照工藝規范將擺放整齊的工件裝入爐內．密封爐蓋后升溫。氣體滲碳爐風扇軸加雙密封環．爐蓋采用雙層密封刀槽。

3、排氣

采用大劑量排氣可縮短排氣時間。在爐溫回升過程中溫度較低，而氨分解的溫度較低(600℃裂解率達99％以上)，排氣效果較好，但通入大量氨，特別是未充分干燥時，因露點升高使氧化加劇，在爐溫回升過程中，采取先通氨(封爐后就開始通氨)后滴入甲醇、煤油排氣。爐溫恢復正常后，延長30 min左右使工件燒透，并使爐氣恢復正常。爐子到溫后．取氣樣分析，使CO2控制在0.3％以下，碳勢在1％以上，此后進入正常共滲階段。排氣階段及時點燃廢氣火苗。

4、共滲處理

進入正常共滲階段后，將甲醇、煤油滴量調整到正常加入量。關小排氣閥，使爐壓控制在20～40Pa，廢氣火苗呈杏黃色，高度120～150mm。

5、淬火及回火

共滲處理結束后，切斷電源，出爐淬火。

四、試驗結論及分析

1、金相組織

共滲層的金相組織為：細針狀馬氏體+少量殘留奧氏體，粗大的碳化物變細小，重新分布趨于均勻，使晶粒細化。碳化物顆粒平均尺寸為0.1µm，晶粒細化達到10級。

在操作過程中，如果出現排氣不完全，共滲劑滴量不穩定，爐溫偏低等熱處理工藝失常現象，在共滲層的金相組織中就顯示出下列缺陷：表面產生大塊狀碳氮化合物或網狀屈氏體．出現這種組織對零件的硬度及耐磨性都是不利的，必須嚴格執行熱處理工藝。

2、滲層硬度測定

經HX3型顯微硬度計測定的滲層顯微硬度分布情況由圖5可見，表面硬度1600～1 800Hv0.1，在200pm內維持較高的硬度值，隨后硬度值降低，平緩地過渡到心部。經布洛維光學硬度計測量，基體硬度為58～60HRC。

3、采用稀土催滲劑對滾絲模復合滲強化工藝過程的影響

工件有效滲層厚度提高到0.3mm以上，高于普通碳氮共滲的0.20～0.25mm，有效滲層硬度值提高到1600～1800HV0.1,山高于普通碳氮共滲的600～800HV0.1山工件獲得了更高的表面硬度和耐磨性。取代了氰化鹽浴滲碳工藝，消除了“三廢”環境污染，保護了環境，新工藝已應用于生產，滾絲模平均使用壽命達到了120萬件，取得了較好的經濟效益和社會效益。