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【摘 要】本文通过对该钢种和零件性能要求进行分析和试验，科学合理选择渗碳工艺参数；采用氮气强制性氮气空冷与保护，能够有效控制脱碳层的产生和组织结构的改变，使其热处理后的性能达到国外先进水平。
【关键词】渗碳；层深；脱碳
车用空调机的主轴通常采用易切削钢材质，是工作的重要零件；在工作中主要受弯扭与摩擦的复合力作用，工作性能要求很高。在车用空调机项目引进初期阶段，主轴是从韩国进口；后来在国有化生产的过程中，渗碳工艺一直存在问题；渗碳组织有时出现表面粗糙度不好，网状碳化物，渗碳层深超差，影响高频淬火的工序。
我们在接到主轴工艺设计的任务后，对工艺进行了认真研究，并且根据现有工艺条件和设备条件，重新编制了工艺过程，设计工艺参数，解决了以上问题。以下作以介绍，供参考。
主轴工艺流程为：机械加工——渗碳后空冷——局部高频淬火——精磨。材质为AISI1151（美国牌号易切削钢）。渗碳后技术要求为：硬度达到15—25HRC，全共析渗层深为0.5～0.7mm，金相组织：铁素体加细珠光体，表层没有网状碳化物，脱碳层≤0.03mm，表面光洁性好，无沉积碳黑现象。
主轴形状见图1，成分见表1。
表1 主轴化学成分（%）
C Mn P S Si
0.50～0.55 0.7～1.0 ≤0.04 0.08～0.13 ≤0.20
1.工艺路线
我们经过多次工艺试验及其工艺分析，确定其渗碳工艺路线为：1、脱脂；2、渗碳；3、防脱碳空冷三个基本过程
2.设备及工装
本工艺采用丰东公司的UNICASE箱式气体渗碳生产线进行生产。此设备为两室结构，火帘封闭，可实现无氧化渗碳、淬火的工艺过程。
工装选用筛网式专用工具，为避免加热变形主轴垂直吊放；用不小于5mm间距进行摆放，使渗碳气氛顺畅流通。
2.1 脱脂
由于在机械加工的工艺过程中主轴表面残存油性切削液，此油性切削液对渗碳有一定的影响必须采用脱脂工艺去除。具体过程：置于箱式回火炉中，于500℃±10℃，保温60～70min就可以达到理想效果。
2.2 渗碳及其工艺参数
2.2.1温度
对渗碳速度影响最大工艺参数是温度，常用渗碳温度为900～950℃，温度愈高，扩散速度愈快，奥氏晶粒长大越快，这样工件容易变形，同时对设备的损耗加大，使设备寿命降低。从材料上考虑，由于主轴用钢碳含量较高，其成分与国产50Mn较接近，因此渗碳温度不宜太高。
我们进行多组实验，渗碳温度最终定为905℃±5℃。图2为905℃和920℃两个温度渗碳后组织对比，发现920℃时晶粒有明显长大。
2.2.2碳势
UNICASE渗碳炉采用滴注式气体渗碳，以甲醇为载气，丙酮为富化气，其化学反应式为：
CH3OH→CO+2H2
CH3COCH2→2[C]+CO+3H2
采用氧探头单参数控制炉气碳势，通过改变甲醇、丙酮输入比例，并通过空气调节，能有效调整代表渗碳能力的活性[C]原子数量，调整碳势。炉内碳势愈高，向工件表面供给碳的速度愈快。
考虑到此钢种基体碳含量较高，需要高碳势才能形成碳浓度梯度；另一方面，零件要求一定的表面粗糙度，碳势过高易沉积碳黑，并易出现网状碳化物，同时沉积的碳黑又影响渗碳速度。
经多次试验确定，将碳势定为1.15时，渗碳时间为190±230min，渗碳层深及组织可达到工艺要求。工艺曲线见图3。
2.2.3空冷
当零件渗碳后不用淬火时，造成渗碳层出现网状碳化物的主要原因是冷却速度过慢，因此加快冷却速度是渗碳后的关键问题。而技术要求不允许氧化且脱碳层深控制在0.03mm以内，因此不可以原有的工艺设备下进行空气风冷。针对工艺及设备做了调整。
在渗碳炉前室进行主轴渗碳后的冷却，渗碳室（后室）排出的还原性气氛在前室内，这样保证工件不被脱碳或氧化，此时炉气温度很高（达到900℃以上），很难达到工艺需要的快速冷却。
为此调整脱碳炉前室水冷壁的水流及水温，确保均匀冷却水流和水温，达到最好的冷却效果。同时在对工件空冷时，使后室温度降至860-870℃；在保证甲醇、丙酮的正常裂解的同时降低炉内废气温度，维持前室气压。
加速冷却容易出现脱碳现象，为防止脱碳在空冷前期（即主轴处于900-500℃易脱碳的时期）通入惰性气体氮气（室温左右）加速冷卻，保护了工件的氧化和脱碳。同时增加炉压，防止氧气进入。
通入氮气量为12m3，空通气时间为40min，冷时间为120min左右；工件的出炉温度降为200℃以下。
2.2.4出炉
主轴的表面组织及光亮性问题是产品的关键，我们对火帘进行了技术调整。调整气阀使供应火帘的液化气和空气达到最佳比例，有效防止工件进出炉时液化气燃烧不充分造成的碳黑沉积于表面。
3.检验
采用此工艺加工后，硬度的检测工具是洛式硬度计，主轴硬度为18-21HRC，在金相显微镜下测定层深为0.65mm，脱碳层≤0.03mm，表面光亮，无网状碳化物，无沉积碳黑，金相组织见图4。
4.结论
通过科学调整渗碳温度及渗碳冷却参数，采用氮气强制空冷与保护，消除渗碳层网状碳化物的形成，使工件表面光亮，无沉积碳黑并有效控制脱碳现象，达到国外先进设备工艺下的渗碳质量水平。
【关键词】渗碳；层深；脱碳
车用空调机的主轴通常采用易切削钢材质，是工作的重要零件；在工作中主要受弯扭与摩擦的复合力作用，工作性能要求很高。在车用空调机项目引进初期阶段，主轴是从韩国进口；后来在国有化生产的过程中，渗碳工艺一直存在问题；渗碳组织有时出现表面粗糙度不好，网状碳化物，渗碳层深超差，影响高频淬火的工序。
我们在接到主轴工艺设计的任务后，对工艺进行了认真研究，并且根据现有工艺条件和设备条件，重新编制了工艺过程，设计工艺参数，解决了以上问题。以下作以介绍，供参考。
主轴工艺流程为：机械加工——渗碳后空冷——局部高频淬火——精磨。材质为AISI1151（美国牌号易切削钢）。渗碳后技术要求为：硬度达到15—25HRC，全共析渗层深为0.5～0.7mm，金相组织：铁素体加细珠光体，表层没有网状碳化物，脱碳层≤0.03mm，表面光洁性好，无沉积碳黑现象。
主轴形状见图1，成分见表1。
表1 主轴化学成分（%）
C Mn P S Si
0.50～0.55 0.7～1.0 ≤0.04 0.08～0.13 ≤0.20
1.工艺路线
我们经过多次工艺试验及其工艺分析，确定其渗碳工艺路线为：1、脱脂；2、渗碳；3、防脱碳空冷三个基本过程
2.设备及工装
本工艺采用丰东公司的UNICASE箱式气体渗碳生产线进行生产。此设备为两室结构，火帘封闭，可实现无氧化渗碳、淬火的工艺过程。
工装选用筛网式专用工具，为避免加热变形主轴垂直吊放；用不小于5mm间距进行摆放，使渗碳气氛顺畅流通。
2.1 脱脂
由于在机械加工的工艺过程中主轴表面残存油性切削液，此油性切削液对渗碳有一定的影响必须采用脱脂工艺去除。具体过程：置于箱式回火炉中，于500℃±10℃，保温60～70min就可以达到理想效果。
2.2 渗碳及其工艺参数
2.2.1温度
对渗碳速度影响最大工艺参数是温度，常用渗碳温度为900～950℃，温度愈高，扩散速度愈快，奥氏晶粒长大越快，这样工件容易变形，同时对设备的损耗加大，使设备寿命降低。从材料上考虑，由于主轴用钢碳含量较高，其成分与国产50Mn较接近，因此渗碳温度不宜太高。
我们进行多组实验，渗碳温度最终定为905℃±5℃。图2为905℃和920℃两个温度渗碳后组织对比，发现920℃时晶粒有明显长大。
2.2.2碳势
UNICASE渗碳炉采用滴注式气体渗碳，以甲醇为载气，丙酮为富化气，其化学反应式为：
CH3OH→CO+2H2
CH3COCH2→2[C]+CO+3H2
采用氧探头单参数控制炉气碳势，通过改变甲醇、丙酮输入比例，并通过空气调节，能有效调整代表渗碳能力的活性[C]原子数量，调整碳势。炉内碳势愈高，向工件表面供给碳的速度愈快。
考虑到此钢种基体碳含量较高，需要高碳势才能形成碳浓度梯度；另一方面，零件要求一定的表面粗糙度，碳势过高易沉积碳黑，并易出现网状碳化物，同时沉积的碳黑又影响渗碳速度。
经多次试验确定，将碳势定为1.15时，渗碳时间为190±230min，渗碳层深及组织可达到工艺要求。工艺曲线见图3。
2.2.3空冷
当零件渗碳后不用淬火时，造成渗碳层出现网状碳化物的主要原因是冷却速度过慢，因此加快冷却速度是渗碳后的关键问题。而技术要求不允许氧化且脱碳层深控制在0.03mm以内，因此不可以原有的工艺设备下进行空气风冷。针对工艺及设备做了调整。
在渗碳炉前室进行主轴渗碳后的冷却，渗碳室（后室）排出的还原性气氛在前室内，这样保证工件不被脱碳或氧化，此时炉气温度很高（达到900℃以上），很难达到工艺需要的快速冷却。
为此调整脱碳炉前室水冷壁的水流及水温，确保均匀冷却水流和水温，达到最好的冷却效果。同时在对工件空冷时，使后室温度降至860-870℃；在保证甲醇、丙酮的正常裂解的同时降低炉内废气温度，维持前室气压。
加速冷却容易出现脱碳现象，为防止脱碳在空冷前期（即主轴处于900-500℃易脱碳的时期）通入惰性气体氮气（室温左右）加速冷卻，保护了工件的氧化和脱碳。同时增加炉压，防止氧气进入。
通入氮气量为12m3，空通气时间为40min，冷时间为120min左右；工件的出炉温度降为200℃以下。
2.2.4出炉
主轴的表面组织及光亮性问题是产品的关键，我们对火帘进行了技术调整。调整气阀使供应火帘的液化气和空气达到最佳比例，有效防止工件进出炉时液化气燃烧不充分造成的碳黑沉积于表面。
3.检验
采用此工艺加工后，硬度的检测工具是洛式硬度计，主轴硬度为18-21HRC，在金相显微镜下测定层深为0.65mm，脱碳层≤0.03mm，表面光亮，无网状碳化物，无沉积碳黑，金相组织见图4。
4.结论
通过科学调整渗碳温度及渗碳冷却参数，采用氮气强制空冷与保护，消除渗碳层网状碳化物的形成，使工件表面光亮，无沉积碳黑并有效控制脱碳现象，达到国外先进设备工艺下的渗碳质量水平。