气体渗碳在耐火材料模具热处理中的应用

1 前言

　　耐火材料成型模具的热处理是模具生产中的一道重要工序，直接影响到模具的成本和使用寿命。山东第二耐火材料厂（简称山东二耐）自1958年建厂以来，模具热处理一直沿用固体渗碳工艺，加热设备采用燃油火焰反射炉，后来改用燃煤反射炉。该工艺虽然简单，但周期长，生产成本高，渗碳层厚度不易保证，模板的寿命较低且波动大，污染环境。为此，对其进行工艺改造，将固体渗碳改为气体渗碳。
  气体渗碳是将模板置于含碳原子的气体介质中，在一定温度下保温一段时间，使碳原子渗入模板表面，以改变钢表面（模板表面）的化学成分、组织和性能。气体渗碳工艺包括分解、吸收和扩散三个过程。渗碳时，首先是钢表面与气体介质相互作用，在气相和金属表面吸收活性碳原子，同时依靠原子的扩散速度及其形式向金属内部扩散，扩散速度的大小取决于浓度的差别和原子的热运动。随着吸收增加和扩散的深入，模板表面达到过共析和共析成分的含碳量，随后将模板进行淬火和低温回火，可在模板表面获得高硬度、高强度和高耐磨性的渗碳层。

2 气体渗碳工艺

2.1 设备
　滴注式气体渗碳，采用的是普通井式渗碳炉。该设备操作方便，投资少，成本较低，解决了反射炉环境污染及炉内气氛难控制的问题。
2.2 工艺曲线
　　气体渗碳的排气、强渗和扩散三个阶段选用不同的滴剂量。为了便于直接淬火，扩散后，又增加了降温和均温阶段。工艺曲线如图1所示。
2.2.1 排气阶段用甲醇和煤油滴剂当模板放入炉内时，炉内存有空气，会引起模板表面氧化，影响渗碳层的均匀性。因此装炉以后，应尽快将炉内的氧化性气体（CO₂、O₂）排出炉外。这时需要滴入大量稀释剂甲醇（CH₃OH CO+2H₂），使炉内及早形成还原性气氛。当炉温达到900℃时，为迅速提高碳势，为下一阶段强渗做好准备，中断稀释剂甲醇的滴入，改滴渗碳剂煤油(滴量200～220d/min)。滴煤油2h后，分析炉内气氛表明CO₂小于0.5%、O₂为0。这表明排气阶段驱赶氧化性气氛比较彻底，有利于下一阶段的强渗。

图1 工艺曲线

注：到温装炉，供甲醇，900℃后停供甲醇，2h后，关闭试样孔，进行强渗。

2.2.2 强渗阶段用煤油滴剂  煤油是混合物，在高温状态下大部分分解为混合气体:CH₄36%～46%，C_nH_2m20%～26%等。甲烷是渗碳能力很强的气体，其分解反应式为：

　　 

    析出活性碳原子被钢（奥氏体）吸收而渗碳。
　钢与甲烷的反应式为：

　　通过一系列化学反应，产生大量的活性碳原子，与模板表面接触溶解于金属固溶体，模板表面急剧增碳。但由于C₂H_2n的聚合作用容易形成碳黑，阻碍渗碳进行，因此，在生产过程中，对煤油的滴量作适当控制。实践表明，在井式渗碳炉中，强渗阶段煤油滴量用140～160d/min较宜。
2.2.3 扩散阶段用煤油和甲醇滴剂　钢的表面吸收了大量活性碳原子，碳原子从表面的高浓度区向里层的低浓度区扩散。实践证明，在分解、吸收、扩散三个阶段中，以扩散为最慢，时间最长。在此阶段，分解和吸收的碳原子数量要与深入扩散的碳原子的数量相适应，若分解的碳原子过多，金属表面来不及吸收，多余的碳原子会重新结合成分子状态的碳，即碳黑，沉积在钢的表面阻碍碳原子的继续渗入。因此，该阶段应减少煤油量增加甲醇滴量以起稀释作用。
2.2.4 降温和均温阶段用煤油和甲醇滴剂  为了直接淬火，获得模板表层的高硬度，必须有降温和均温阶段。在此阶段，为防止炉内气氛中碳势降低，模板产生脱碳，一般以煤油和甲醇的滴量与扩散阶段相近为宜。

3 应用效果

　　经过气体渗碳，模板表面的含碳量达到0.9%～1.0%，淬火后的表面硬度为HRC62～64（见图2），渗层组织为淬火马氏体+残余奥氏体+少量Fe₃C,碳在渗层中的分布情况见图3。

图2 硬度值曲线

2000年4月1日T-3模板

图3 渗层深度及碳浓度梯度

2000年6月28日试样

　　气体渗碳与固体渗碳工艺成本比较见表１。

表1 成本比较  元

    由表１看出，采用气体渗碳工艺后，成本平均降低354.6元/t。对C-21钢包衬砖模使用统计证明，采用固体渗碳工艺，模具只能使用1个班、压砖1000块；而采用气体渗碳工艺，模具可使用2个班，平均压砖2200块，模具使用寿命大大提高。

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