內(nèi)氧化是可控氣氛滲碳過程中的氧滲入工件表面，與工件表面的合金元素發(fā)生反應(yīng)，形成氧化物造成的。氧會沿著晶界向內(nèi)部滲入并與合金元素發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生晶間氧化，晶間氧化的深度就是內(nèi)氧化的深度。內(nèi)氧化的存在造成附近區(qū)域合金元素貧化，引起被氧化界面淬透性下降，淬火后形成所謂的“非馬組織”。1.典型內(nèi)氧化組織如圖1所示。圖1典型內(nèi)氧化金相組織（齒頂，未腐蝕）“非馬組織”的產(chǎn)生降低了表面強(qiáng)度及滲碳件的抗疲勞性能，尤其是彎曲疲勞強(qiáng)度，而沿晶界生成的氧化物會降低晶間結(jié)合力，裂紋易于在這些位置生成并擴(kuò)展，從而造成早期失效。隨著齒輪行業(yè)尤其是汽車齒輪行業(yè)對“非馬組織”的要求越來越嚴(yán)格，降低滲碳過程中的內(nèi)氧化、減少“非馬組織”成為許多齒輪和熱處理公司的難題之一。筆者結(jié)合多年的現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和理論依據(jù)，對內(nèi)氧化的形成進(jìn)行了系統(tǒng)分析，針對內(nèi)氧化和“非馬組織”提出了可行的預(yù)防措施，希望為從事相關(guān)領(lǐng)域工作的技術(shù)工人員提供參考。2內(nèi)氧化的形成2.1形成條件內(nèi)氧化形成的熱力學(xué)條件為：1）基體金屬對氧有一定的溶解度。2）合金元素與氧的親和力大于基體金屬與氧的親和力。3）在基體金屬中，氧比合金元素具有更大的擴(kuò)散系數(shù)。4）在介質(zhì)中氧勢高于形成合金元素氧化物所需要的氧勢。2.2形成過程在可控氣氛滲碳過程中，介質(zhì)在工件表面發(fā)生了反應(yīng)，產(chǎn)生氧原子，通過表面吸附、吸收和擴(kuò)散，使工件表面固溶的氧濃度高于內(nèi)部，在氧濃度梯度的作用下，氧原子由表及里擴(kuò)散，當(dāng)氧濃度超過一定量后，通過反應(yīng)擴(kuò)散，使一定濃度的合金或雜質(zhì)元素被氧化，從而形成其內(nèi)氧化物，即“內(nèi)氧化”。在形成內(nèi)氧化物的過程中，還會存在被內(nèi)氧化合金或雜質(zhì)元素由里向外的長程逆擴(kuò)散，引起基體合金或雜質(zhì)元素貧化。3內(nèi)氧化的影響因素3.1滲碳?xì)夥諝怏w滲碳，爐氣中不可避免地含有O2、H2O、CO2等氣體。當(dāng)爐子氣氛中上述組分含量較高，或爐子密封不好，有空氣侵入，或零件表面有嚴(yán)重的氧化皮時(shí)，在滲碳過程中都將發(fā)生內(nèi)氧化。3.2合金元素對于溶入鐵中與鐵形成固溶體的合金元素，由于他們與氧的親和力比鐵大，這些合金元素有被氧化的趨勢。在氣體滲碳條件下合金滲碳鋼中的Si、Cr、Mn、Ti等易氧化元素均滿足內(nèi)氧化發(fā)生的熱力學(xué)條件，圖2為930℃加熱氣氛中不同合金元素的氧化勢。從圖2中可以看出，Cr、Mn、Si、Ti可以被氧化，而Fe、Mo、Ni、W、Cu則不被氧化。合金元素與氧的親和力由強(qiáng)到弱排列順序：Ti＞Si＞Mn＞Cr＞Fe＞W(wǎng)＞Mo＞Ni＞Cu。圖2930℃加熱氣氛中不同合金元素氧化勢合金元素的種類及含量決定了內(nèi)氧化層的生成形態(tài)。有研究指出，氧化物的深度通常取決于鋼中的Si含量，及與氧親和力大的合金元素含量。一方面，可以用Si的氧化來測定內(nèi)氧化的深度，由Mn的氧化來確定內(nèi)氧化的強(qiáng)烈程度；另一方面，隨著鋼的總氧化勢的增加，內(nèi)氧化深度具有向更深方向發(fā)展的趨勢。3.3氧分壓氣氛中有一定的碳勢，就有相應(yīng)的氧分壓。在滲碳時(shí)，氣氛中的氧分壓是決定氧化物形成程度的主要因素，而鋼中發(fā)生內(nèi)氧化的先決條件是所處理的鋼基體不發(fā)生外氧化。資料表明，在930℃滲碳條件下，氧分壓滿足：對于滲碳?xì)夥斩?，可以粗略?jì)算出碳勢Cp=1%時(shí)的氧分壓約為3×10-15Pa。因此，在合金元素以溶質(zhì)元素形式存在于滲碳鋼中時(shí)，內(nèi)氧化不可避免，但隨著碳勢的增加，氧分壓降低，內(nèi)氧化程度會有所降低。4預(yù)防內(nèi)氧化減少“非馬組織”的措施內(nèi)氧化和“非馬組織”是一個(gè)系統(tǒng)問題，要想控制內(nèi)氧化和“非馬組織”，需要從多方面入手才能獲得滿意的效果。在材料一定的情況下，最有效的控制方法是減少氧氣的攝入量和縮短工藝時(shí)間。4.1采用親氧能力弱的合金元素鋼從合金元素與氧的親和力由強(qiáng)到弱排列順序可以看出，Cr、Mn、Si、Ti等元素與氧的親和力較強(qiáng)，而Ni、Mo等元素滲碳鋼可大大減輕內(nèi)氧化程度。對于內(nèi)氧化要求嚴(yán)格的滲碳齒輪，應(yīng)盡量采用CrMo、CrNi、CrNiMo等鋼，避免采用CrMn、CrMnTi等鋼。在國外，有專門設(shè)計(jì)的可減輕內(nèi)氧化程度的滲碳鋼種，這類鋼減少了Cr、Mn、Si等元素的含量，添加了一定的Mo元素。4.2保證原輔材料純度可控氣氛滲碳處理氣氛主要有甲醇滴注氣氛、氮甲醇?xì)夥?、直生式氣氛和吸熱式氣氛四種。主要工藝氣氛原輔材料有氮?dú)狻⒓状己捅椋ɑ蛱烊粴猓?。?）氮?dú)饧兌鹊獨(dú)饧兌纫筮_(dá)到99.99%以上。應(yīng)盡量采用液氮獲得氮?dú)?，避免采用制氮機(jī)獲得氮?dú)?。在沒有液氮只能使用制氮機(jī)的情況下，制氮機(jī)應(yīng)購買可靠性高的產(chǎn)品，并嚴(yán)格按廠家的規(guī)定對制氮機(jī)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。制氮機(jī)的產(chǎn)氣量要考慮到開爐門充氮?dú)獾姆逯凳褂们闆r，防止由于氮?dú)馐褂昧客蝗患哟髮?dǎo)致氮?dú)饧兌认陆?。?）甲醇含水量甲醇中的水含量要小于0.1%，應(yīng)盡量購買有純度保障的甲醇，并檢查每批甲醇的含水量。（3）丙烷和天然氣的水和硫含量對于甲醇滴注氣氛和氮甲醇?xì)夥眨楹吞烊粴庾鳛楦换瘹馐褂?。對于直生式氣氛和吸熱式氣氛，丙烷和天然氣既作為富化氣使用，也是工藝載氣的氣源。丙烷和天然氣供氣公司出廠之前，已經(jīng)對硫和水分等有害物質(zhì)進(jìn)行了過濾，在此可以不關(guān)注。4.3可控氣氛滿足要求可控氣氛滲碳處理的設(shè)備通常有三類，多用爐、連續(xù)爐和井式爐。（1）氮甲醇?xì)夥赵O(shè)備廠家推薦的氮?dú)夂图状急壤话闶?︰1~1︰1.1（m3/h︰L/h），盡量采用1︰1.1。工藝載氣碳勢提高，可以提高滲碳速度，縮短工藝時(shí)間，從而降低內(nèi)氧化。（2）吸熱式氣氛設(shè)備廠家推薦的露點(diǎn)一般是-3~-5℃，盡量采用-5℃。工藝載氣碳勢提高，可以提高滲碳速度，縮短工藝時(shí)間，從而降低內(nèi)氧化。（3）直生式氣氛對于內(nèi)氧化要求高的齒輪零件的可控氣氛滲碳，應(yīng)盡量避免采用直生式氣氛。丙烷在低于850℃時(shí)不能充分裂解，天然氣在低于900℃時(shí)不能充分裂解，無法充分與氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成足夠的一氧化碳和氫氣，導(dǎo)致爐氣呈氧化性氣氛。對于多用爐，如果已經(jīng)是直生式氣氛，可以找設(shè)備廠家對爐子進(jìn)行改造，在裝爐升溫階段關(guān)閉空氣-丙烷（或天然氣）混合閥，只通甲醇，減少零件在升溫階段的氧化。待爐溫升到滲碳溫度后，再轉(zhuǎn)換成直生式氣氛。對于井式爐，裝爐升溫排氣階段應(yīng)該使用甲醇排氣，待爐溫升到滲碳溫度時(shí)，再轉(zhuǎn)換成直生式氣氛。裝爐升溫階段只通甲醇，還可以大大減輕炭黑的產(chǎn)生，因?yàn)楸楹吞烊粴庠诘蜏貢r(shí)不能充分裂解，極易產(chǎn)生炭黑。對于推桿式連續(xù)爐，升溫加熱區(qū)采用甲醇?xì)夥眨瑥?qiáng)滲、擴(kuò)散區(qū)采用直生式氣氛，降溫區(qū)采用甲醇或氮甲醇?xì)夥眨且粋€(gè)比較好的搭配。4.4提高爐壓提高爐壓可以提高滲碳速度，縮短工藝時(shí)間，從而降低內(nèi)氧化。爐壓應(yīng)該控制在200Pa以上，通常要達(dá)到250Pa。不過有的爐子受結(jié)構(gòu)限制，爐壓無法達(dá)到這個(gè)壓力。4.5合理的熱處理工藝高滲碳溫度、高碳勢、高淬火溫度能有效降低內(nèi)氧化。（1）高的滲碳溫度提高滲碳溫度，降低滲碳工藝時(shí)間，是控制內(nèi)氧化的有效方法。20CrMnTi鋼滲碳溫度可以到930℃。對于多用爐和井式爐，如果爐子保溫性能特別好的，淺層滲碳（滲層深度≤0.6mm）時(shí)提高滲碳溫度并不能降低滲碳過程時(shí)間，因?yàn)樘岣邼B碳溫度會增加升溫和降溫時(shí)間，特別是降溫時(shí)間會大幅增加。一個(gè)智能滲碳模擬控制軟件是必要的，它可以模擬出整個(gè)滲碳過程，從而編制出最合理的滲碳工藝。對于推桿式連續(xù)爐，提高強(qiáng)滲和擴(kuò)散區(qū)溫度，縮短節(jié)拍，可以有效降低內(nèi)氧化。不過需兼顧降溫區(qū)零件要降到淬火溫度并均溫。（2）高碳勢爐內(nèi)氣氛碳勢和氧分壓成反比關(guān)系，碳勢越高則氧分壓越低。高的碳勢會大大降低內(nèi)氧化的動(dòng)力。編制工藝時(shí)，無論是升溫階段還是強(qiáng)滲階段，都應(yīng)該盡量采用高碳勢。高碳勢同樣可以縮短工藝時(shí)間，也可以降低內(nèi)氧化。有一個(gè)溫度碳勢炭黑析出點(diǎn)曲線，將強(qiáng)滲碳勢設(shè)置到炭黑析出點(diǎn)的95%，既可以保證高碳勢，又可以保證不會析出嚴(yán)重積碳。智能滲碳模擬控制軟件，可以自動(dòng)控制在不同滲碳溫度下以最高碳勢滲碳。（3）強(qiáng)滲擴(kuò)散時(shí)間比例對于多用爐和井式爐，應(yīng)降低擴(kuò)散時(shí)間在工藝過程中所占比例。對于滲層要求低于0.6mm的，可以不需要擴(kuò)散階段，直接從降溫開始降碳勢擴(kuò)散。強(qiáng)滲擴(kuò)散時(shí)間比例的調(diào)整，要保證滲碳后零件從表面到心部碳濃度梯度曲線，既不要下降太陡，又不要出現(xiàn)次表面碳濃度高于表面碳濃度。下降太陡，說明擴(kuò)散時(shí)間過長，工藝時(shí)間還可以縮短。次表面碳濃度高于表面碳濃度，說明擴(kuò)散時(shí)間不夠，淬火后表面應(yīng)力會呈現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)，從而降低疲勞壽命。對于推桿式連續(xù)爐，由于分區(qū)無法改變，這個(gè)比例調(diào)整的可能性很小。（4）高的淬火溫度高的淬火溫度，既可以提高過淬火的過冷度，提高零件淬透深度，降低“非馬組織”的產(chǎn)生，又可以縮短降溫時(shí)間，起到降低內(nèi)氧化的作用。4.6熱處理設(shè)備的保證（1）良好的密封性設(shè)備的密封性差會在滲碳處理過程中帶入過多的氧氣，對內(nèi)氧化影響很大。應(yīng)每3個(gè)月對設(shè)備進(jìn)行一次檢漏并最大限度地堵住漏點(diǎn)。密封性不好還會降低爐壓，延長工藝時(shí)間，從而加重內(nèi)氧化。（2）開爐門充安全氮?dú)獯蠖鄶?shù)多用爐，都設(shè)置了開爐門（所有爐門）充安全氮?dú)獾墓δ?，以抵御開爐門時(shí)爐內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓而吸入過多的氧氣發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)。但是開爐門充氮?dú)夤δ?，很多設(shè)備廠家都設(shè)置成只對淬火室充氮?dú)猓粚訜崾页涞獨(dú)?，?dǎo)致加熱室不能及時(shí)抵御負(fù)壓的產(chǎn)生而吸入大量氧氣，同時(shí)吸入的氧氣也不能及時(shí)排出。因此，要嚴(yán)格控制內(nèi)氧化，就要控制加熱室氧氣的吸入量，開爐門充氮?dú)獾墓苈窇?yīng)改到加熱室，或加熱室和淬火室同時(shí)充氮?dú)狻ＴO(shè)置一個(gè)甲醇旁路，開爐門充氮?dú)獾耐瑫r(shí)，打開甲醇旁路向加熱室追加甲醇，更有利于加熱室爐壓的快速恢復(fù)和氧氣的快速排出。（3）通入氨氣滲碳末期通入氨氣，提高零件表面淬透性，可以減少“非馬組織”。氨氣需進(jìn)行純化處理，以除去氨氣中的水分。（4）關(guān)閉平衡空氣甲醇滴注氣氛、氮甲醇?xì)夥蘸臀鼰崾綒夥諠B碳設(shè)備，都設(shè)有平衡空氣。滲碳處理過程全程關(guān)閉平衡空氣，可以減少內(nèi)氧化。另外，關(guān)閉平衡空氣，還可以減少富化氣的用量，降低爐內(nèi)積碳。4.7淬火冷卻方式采用強(qiáng)烈的淬火方式，可以提高淬硬深度，減少“非馬組織”。快速淬火油在相同滲碳工藝情況下“非馬組織”優(yōu)于等溫分級淬火油?？焖俅慊鹩瓦€可以提高有效硬化層深度，降低工藝時(shí)間，從而降低內(nèi)氧化。4.8后處理強(qiáng)力拋丸和強(qiáng)力噴丸處