真空渗碳工艺研究及数值模拟

作     者：施建军 

作者单位：中原工学院 

学位级别：硕士

导师姓名：王志新

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：真空渗碳淬火 数值模拟 显微硬度 碳浓度 渗扩比 

摘      要：钢的渗碳是一种普遍采用的表面化学热处理技术,渗碳和淬火工艺相结合使钢表层一定深度内形成高硬度和耐磨性的渗碳层,同时心部没有渗碳的区域则保持足够的强韧性。真空渗碳作为可替代传统气氛渗碳的一种新技术受到越来越多的关注,真空渗碳过程可以在比气氛渗碳更高的温度下进行,从而节省渗碳处理时间。同其他渗碳方式相比,真空渗碳降低了处理成本和环境污染,能获得优良的工件表面状态和渗碳层均匀性,同时真空渗碳还具有淬火变形小、渗碳效率高和避免晶界氧化的优点。本文以16Mn钢、20CrNi2Mo钢和20CrMnMo钢为研究对象,制定不同的真空渗碳工艺,分析不同工艺处理后随炉试样的金相组织、显微硬度分布、表面碳浓度、扫描电镜照片和X射线衍射结果,同时结合碳浓度数值模拟结果与实际值对比,旨在为实际生产提供数据和理论积累。本文完成的主要研究工作为:1、16Mn钢真空渗碳淬火后渗碳层表面状态良好,表层淬火组织为针状马氏体+残余奥氏体+细小碳化物,心部淬火组织为低碳板条马氏体+铁素体;渗碳层表面硬度最高,随着距表面距离的增大,硬度先缓慢下降后呈抛物线型下降,最后接近直线型下降,最终至心部后硬度变化不大;16Mn钢真空渗碳层深度≤2mm时,渗扩比以1:6为宜;相同真空渗碳条件下,960℃真空渗碳层深度较900℃时增加1倍。2、20CrNi2Mo钢真空渗碳淬火后渗碳层表面硬度最高,硬度最大值为880HV1,心部淬火硬度约为410HV1;20CrNi2Mo钢真空渗碳层深度为1.84mm（2mm）时渗扩比以1:6较合理,而渗碳层深度为2~3mm时,渗扩比以1:10为宜;冷处理可使20CrNi2Mo钢真空渗碳淬火试样硬度升高,但冷处理前后渗碳层深度不变;20CrNi2Mo钢真空渗碳层碳浓度模拟值略小于实际值,对实际生产具有一定参考价值。3、20CrMnMo钢深层真空渗碳强渗75min时,渗扩比应控制在1:20~1:22之间,真空渗碳淬火后渗碳层深度为4.2~4.4mm,碳化物级别为1~2级;20CrMnMo钢深层真空渗碳层表面碳浓度模拟值平均低于实际值0.035%,渗碳层深度模拟值平均低于实际值0.22mm。4、20CrMnMo钢大型重载齿轮（齿顶圆直径Φ1435mm、法向模数20、齿轮单件重量2800Kg）以渗扩比1:22进行深层真空渗碳淬火后,齿轮呈金属银白色,20CrMnMo钢随炉齿形试样表面碳浓度为0.86%,渗碳层深度为4.4mm,碳化物别为1~2级;淬火后随炉齿形试样洛氏硬度平均值为62.8HRC,齿轮齿面硬度平均值为61.3HRC;齿轮真空渗碳淬火后外径畸变量为1.66mm,回火工艺结束后外径畸变量为1.28mm。