實戰(zhàn)技術(shù)分享：氣體滲碳的六個細(xì)節(jié)問題

草蟲gg 2019-12-13

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作者：趙步青，朱敏，高旭華

單位：浙江省金華市華南汽配有限公司

來源：《金屬加工（熱加工）》雜志

氣體滲碳是應(yīng)用最廣泛的化學(xué)熱處理方法之一，大家都十分關(guān)注分解、吸收、擴散三個基本過程，也很關(guān)注滲碳溫度、強滲時間、不同時期的碳勢、爐內(nèi)壓力及淬火冷卻介質(zhì)的種類和適用溫度等五大因素。但還有不少細(xì)節(jié)問題，必須抓緊抓好。我公司是以生產(chǎn)防滑鏈為主的外向型企業(yè)，在和外商的交往中，我們認(rèn)為以下六個細(xì)節(jié)問題也很重要。以下談一下我們的感受和體會，不妥之處，請斧正。

1. 關(guān)于含碳量

這里有兩個概念，即原材料的原始含碳量和滲碳以后表層的含碳量。

（1）原材料的原始含碳量

業(yè)已查明，滲碳鋼的原始含碳量除了對滲碳件的原始組織和性能有較大的影響外，還對滲層的形成和組織、性能也有顯著影響，原始含碳量越高，滲碳時的表面層濃度梯度越小。根據(jù)菲克第一定律可知，濃度梯度值變小，碳在鋼中的擴散深度減薄，同時，滲入的速度也會降低，在其他條件都相同的情況下，原始含碳量越高，滲層的碳濃度梯度越平緩；原始含碳量越低，滲層的碳濃度梯度也越大。

由此可見，從提高滲碳層滲速出發(fā)，希望原始含碳量低些，滲速快些，但是原始含碳量太低，心部組織和性能往往達(dá)不到設(shè)計要求，即使采取低碳馬氏體強化處理，也不能使心部有較大的改觀；過高的含碳量又會出現(xiàn)韌性不足的問題，特別是抗拉強度低。那么，原始含碳量到底多少合適？國外的經(jīng)驗可以借鑒，美國w_C=0.10%～0.30%，日本w_C＜0.20%。我們的經(jīng)驗為w_C=0.15%～0.25%。

（2）表層含碳量

低碳鋼經(jīng)滲碳后，表層的含碳量可以達(dá)到過共析成分，由表向里碳濃度逐步降低，直至鋼的原始成分。滲碳鋼滲碳后在緩冷條件下，得到平衡狀態(tài)的組織，由表及里，金相組織可分為四個層次。

第一層為過共析層，w_C＞0.80%，在500倍顯微鏡下觀察到在層片狀珠光體基體并夾有呈白色網(wǎng)狀的二次滲碳體（碳化物）分布在原奧氏體的晶界上。

第二層為共析層，第三層為亞共析層，第四層為心部的基體組織。

第一層至關(guān)重要，雖是過共析，但含碳量也不能過高，宜為w_C=0.85%～1.05%。

2. 關(guān)于滲碳試樣

試樣的材質(zhì)應(yīng)與爐中的滲件完全相同，最好是同爐號，這樣才有說服力。試樣有兩種：一種是φ10mm×100mm的爐前試樣，用于確定出爐時間；另一種是與工件形狀一樣或為工件本身的隨爐試樣，工況同滲件，用于檢查滲層深度、金相組織及力學(xué)性能。

3. 關(guān)于硬度

這里所講的硬度是指滲碳淬火、回火后的硬度，涉及到用什么硬度計、載荷、硬度設(shè)置、檢測技術(shù)一系列問題。在此引入“有效硬化層深度”的概念。GB/T 25744—2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》規(guī)定：經(jīng)淬火、回火后，從表面到硬度為550HV的垂直距離。需注意是是，這里維氏硬度計所用的載荷用9.807N（1kgf），而不是工廠自行規(guī)定的其他標(biāo)準(zhǔn)。

按照國際慣例，滲碳淬火、回火后的表面硬度應(yīng)為58～62HRC，但國外不少客戶盲目追求62～68HRC的高硬度，也有要求52～58HRC的低硬度，這些要求是否合理，值得商榷。如果是要求高硬度，只要材料選對、工藝正確，還能拼一把，如果是后者，要求就不太科學(xué)了，完全可以用其他更高明的手段獲得，而且不需要變材料，工藝簡單，性能佳，符合節(jié)能減排大方向。

4. 關(guān)于回火溫度

滲碳淬火后通常要進行150～200℃的低溫回火，這區(qū)間回火，對于心部組織幾乎沒有影響，但表面層經(jīng)淬火、回火后，淬火馬氏體的過飽和碳以ε-碳化物形態(tài)沿馬氏體孿晶面析出，使馬氏體在光學(xué)顯微鏡下明顯變暗，同時由于馬氏體的膨脹壓應(yīng)力減小，又有一部分殘留奧氏體變成了回火馬氏體，使?jié)B層中的殘留奧氏體減少。馬氏體和殘留奧氏體的這些變化對鋼的力學(xué)性能都會產(chǎn)生一定影響。

試驗表明，回火溫度超過180℃，硬度開始下降、耐磨性退減，所以建議不要超過180℃回火，但現(xiàn)實中發(fā)現(xiàn)不少單位回火溫度遠(yuǎn)超過180℃，最高者竟然有280℃。

有人做過試驗，在100～200℃范圍內(nèi)，隨著回火溫度的提高，疲勞強度明顯下降，降幅為20%左右。

綜上所述，滲碳淬火后的低溫回火，在某些方面不一定有好的效果，而在另一方面又是必不可少的工序。從有益于彎曲疲勞強度和提高表面硬度考慮，可以省去回火工步，然而，由于缺乏有力的數(shù)據(jù)支撐，大多數(shù)的廠家還是老老實實地執(zhí)行傳統(tǒng)的回火工藝。實際表明，滲碳淬火后最佳的回火溫度為180℃，有人認(rèn)為最適宜的保溫時間為1.5h。

5. 關(guān)于滲層深度

對滲碳層主要的技術(shù)要求是：滲碳層的含碳量（也稱碳濃度）、濃度梯度和滲層深度。這些要求決定了滲層的組織和性能，對滲碳件使用壽命有很大影響。

根據(jù)國內(nèi)外同行的經(jīng)驗，滲碳件滲層的深度大約為工件有效厚度（或直徑）的10%～20%，也有的單位選5%～10%，可供參考的數(shù)據(jù)見表1。

表1 滲碳件滲層深度

注：對某些特殊工件，有些廠家規(guī)定：過共析層+共析層的深度應(yīng)為總滲層深度的50%～75%。

我公司也有超薄層滲碳的特殊工件，需滿足外商要求?？傊蛻羰巧系?，客戶滿意是我們最大的心愿。

6. 關(guān)于冷處理

對滲碳淬火件進行-120℃～-80℃的冷處理，主要目的有三點：①提高表面硬度，使之更耐磨。②提高工件的尺寸穩(wěn)定性，在使用中少變形。③減少磨削裂紋。

對于滲碳淬火后的工件要不要進行冷處理，不能一概否定，也不能盲從。根據(jù)我公司的實際情況，認(rèn)為沒有必要，因此不設(shè)此工步。

冷處理可是滲碳件表層的殘留奧氏體大幅度減少，硬度可上升2～3HRC，同時也會導(dǎo)致彎曲疲勞強度和沖擊韌度的明顯下降。由此可以看出，殘留奧氏體不完全是有害的，只要運用得當(dāng)，對提高產(chǎn)品壽命還是有一定貢獻(xiàn)的。對什么樣的滲碳件要進行冷處理，這是值得探討的問題，應(yīng)以大量的數(shù)據(jù)佐證。

冷處理應(yīng)有針對性和選擇性，并非是滲碳件經(jīng)過冷處理都好，從節(jié)約能源、降低損耗來說，應(yīng)盡量避免冷處理。如果一定要進行冷處理，要注意給殘留奧氏體留有余地，不能消滅光（也消滅不光），冷處理后一定要補充一次180℃×2h的低溫回火。