真空渗碳控制中材料关键参数的测量和模拟软件的开发

摘要

二十世纪七十年代产生的真空渗碳技术(也称低压渗碳)采用饱和或不饱和碳氢化合物作为渗碳气氛，解决了传统气氛渗碳的工件内氧化和环境污染的问题：渗碳温度高，缩短了渗碳周期；操作安全，与其它设备集成性能优良；与高压气淬技术结合，工件淬火后变形小，后期处理工序简单，处理后工件机械性能优良。国内外已有数十家单位申请了有关真空渗碳工艺和设备的专利，数百台的真空渗碳设备运行在世界各地的热处理工厂中。 真空渗碳的研究仍存在较多盲点：碳传递与扩散模型的建立不精确;表面碳通量确定困难；渗碳工艺的控制依靠模拟仿真软件，但仿真软件的开发缺乏相应的基本参数数据库。论文以大量渗碳试验为基础，优化计算了几种常见钢的碳扩散系数(D)和奥氏体饱和碳浓度(Cs),以及测量了它们的奥氏体晶粒临界长大温度，并提出了饱和渗碳碳化物移动的碳传递扩散模型，以此模型研究了饱和渗碳的表面碳通量，最后在上面参数研究的基础上，开发了简易的真空渗碳工艺模拟软件，结果表明： 1.20Cr的扩散系数表达式为0.13exp(-32401.5/1.987/T)，20CrMnTi的扩散系数方程为0.27exp(-34406.8/1.987/T)，Cr、Ti等合金元素的加入能提高扩散激活能和降低碳在奥氏体中的饱和碳浓度。 2.以晶粒度级别5级作为标准，20Cr在950℃加热4h晶粒出现粗化，20CrMnTi在1040℃部分特殊晶粒出现异常长大。而20钢在920℃晶粒就已经很粗大了,说明Cr,Ti等合金元素的加入能细化奥氏体晶粒。 3.利用提出的饱和渗碳模型，模拟了渗碳过程中表面碳通量的变化，在碳化物产生之前，由于表面碳浓度迅速增加，碳通量下降，当表面碳浓度达到Cs，开始产生碳化物，当碳化物层达到一定厚度时，碳通量迅速下降，随着碳化物的移动，碳通量迅速下降。 4.用编制的模拟软件对20CrMnTi980℃真空渗碳的工艺进行了优化，采用模拟得到的工艺，获得的有效渗碳层厚为800μm(碳浓度为0.4％处离表面的距离),表面碳浓度为1.1％。