渗碳淬火浅谈

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大多数的渗碳钢都采用低含碳量高合金材料，在齿面渗碳淬火后，心部还能保证一定良好的机械性能，我们厂大多采用的渗碳钢种为20CrMnMo，20CrNi2Mo，17Cr2Ni2Mo，一直以来我们沿用渗碳工艺采用为渗碳+一次淬火+回火。需要达到的要求为：
1.表面高倍组织主要包括回火马氏体和游离碳化物。允许存在可见的低于20％的残余奥氏体。
" X0 E3 a) E7 F- j# A8 X/ q; p2.不允许有互相连接的完全包围晶粒的网状碳化物。
3.在500X不应有可见的完全脱碳现象。
8 E9 c7 |7 A- i6 A+ J/ f% U4.表面碳含量从试棒上确定，表面含碳量的理想值应为0.7～0.9％。
5.不允许有在500X下可见的微小裂纹。
6.晶间氧化不宜超过试棒表面下的0.025mm
7.心部高倍组织达到使齿轮能够被适当的奥氏体化，从而对其进行硬化。在放大500X不允许有可见的块状铁素体，高倍组织应主要包括回火马氏体。
在工艺的执行过程中，许多厂家都会遇到这样的情况；
  A5 p* J* L! z- c1.渗碳结束后，试块表层有网状碳化物，这是造成后期淬火裂纹及磨削裂纹的主要原因。
* E/ [5 I% c( [( A8 t$ r2.渗碳结束后，工件表面硬度达不到理想硬度值，这种情况比较复杂，在排除设备及工艺原因的基础上，多数认为是由于工件齿面表面脱碳造成的，也有因为加热温度不当，保温时间不当或是冷却速度不够等原因造成的(如下图)。
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/ Y$ @, m0 U7 H0 v3.残余奥氏体偏多。它的形成原因是由于第一，加热温度高，第二加热时间长，第三，冷却设备的限制，造成过冷度的增加。残余奥氏体的存在是必然的，在工件完全奥氏体化后经过淬火冷却，一部分奥氏体是来不及转变的，尤其是对于渗碳钢而言，整体的奥氏体区上移(图三)，而表层高碳区奥氏体区下降，同时Mf线下降到0℃以下，所以，在没有过冷处理的前提下，奥氏体转变是不会完全的。
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2005年3月份，我厂的φ1.6×1.8就曾经出现过连续4炉次工件出现网状碳化物的现象，我们对此做了严格的分析。表面网状碳化物的形成应该是多方面的原因，第一、在高温渗碳阶段后期，也就是扩散阶段，如果碳势偏高，表面碳含量自然会偏高，随着奥氏体区的整体上移，表面高碳点已经跨过Acm线下方，在渗碳结束的同时，已经有一部分二次渗碳体析出，沿奥氏体晶粒呈包围网状。第二、渗碳温度过高，时间过长，造成晶粒迅速长大，在冷却过程中，如果速度不够快，碳化物就必然会沿粗大晶界处析出，最终形成网状(如图一、二)。

我们的出发点是解决炉体本身，首先炉内碳势不能过高，其次从工艺上讲保证碳化物尽量不要析出。解决的方法是将炉子空炉状态下空烧，排除炉体在长时间渗碳过程中造成的积碳；用专用的十万分天平做铁箔试验，定准几个渗碳状态碳势；以φ40mm的渗碳试棒放入吊挂孔，用图四：500×(含碳量0.40％，硝酸酒精腐蚀)以做表面碳化物的实验，同时做剥层实验。这就有效的控制了炉体本身原因所造成的表面碳化物超标。
9 ]/ C! ~; ]0 ^5 T( I  W6 H! G5 c如果炉内碳势正常的情况下，是否也存在形成网？有这种情况，层深在一定程度上决定了它的最终状态，随着层深的增加奥氏体会逐渐长大，如果渗碳结束后冷却速度不够快的话，碳化物会沿着粗大晶粒的晶界处形成网。
这种情况可以适当的加快冷却的速度，由于快冷的作用，使这个过程成为了细化晶粒的过程，一方面碳化物析出的数量少，另一方面碳化物呈颗粒状存在，使它形不成网状，很大程度上消除了网碳带来的隐患。如果炉子的冷却能力达不到，可以采用二次淬火工艺。
在实际生产过程中，我们根据自身的经验及现有设备条件摸索出以下三种可行性渗碳淬火工艺：
% c  Q. ]! r: c: p: C- \1.渗碳一次淬火工艺：

3 G$ N9 f( p7 |2 Y一次淬火工艺如上图所示，工件经过渗碳后冷却至一定温度保温一段时间，速度快的话，在高碳的渗碳层中只有少量的碳化物析出，降低奥氏体的含碳量，提高Ms点，使淬火下来的残余奥氏体量减少，提高淬火硬度。然后重新加热淬火，加热温度的选择应兼顾表层和心部，使表层不至过热，而心部有得到充分强化，提议可选择略高于AC3的温度(约830～860℃)，如果要强调表层的组织和性能，则应加热至AC1～AC3之间进行不完全淬火。淬火后还需低温回火(160～200℃)，以消除淬火应力，降低脆性。
! k& n+ q$ \9 s$ O2.渗碳直接淬火工艺：
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直接淬火工艺是将工件自渗碳温度欲冷到淬火温度，进行油冷淬火，预冷到淬火温度的同时，亦可以降低淬火热应力，减小变形；在高碳的渗碳层中有少量的碳化物析出，降低奥氏体的含碳量，提高Ms点，使淬火下来的残余奥氏体量减少，提高淬火硬度。淬火后还需低温回火(160～200℃)，以消除淬火应力，降低脆性。但容易使工件晶粒粗大，建议浅渗层使用。
3.渗碳二次淬火工艺：
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对于性能要求很高的零件，或是由本质粗晶粒钢制成的零件，渗碳后应采用二次淬火法，其工艺曲线如上图所示，第一次淬火温度在主部的AC3以上(约850～890℃)，目的是细化心部的组织，改善心部的性能，同时可以消除表层的网状碳化物；对心部的性能要求不太高时，可以用正火代替第一次淬火。第二次淬火加热至AC1+30～50℃，进行不完全淬火，目的是细化表层组织，使表层获得细小的隐晶马氏体加均匀细小的颗粒状碳化物组织，并减少残余奥氏体量。淬火后还需低温回火(160～200℃)，以消除淬火应力，降低脆性。
如果经过上面的渗碳十二次淬火后，加180℃低温回火，金相组织出来结果表明各项指标均达到要求，其结果完全达标。下表是我们曾经做过的工作令为JS0405011的渗碳淬火件经过二次淬火所达到的组织状态，相对一次淬火和直接淬火而言，它所达到的结果更接近我们理想的结果，至于机械性能不会有太大的差异。
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. k3 ?( r1 `' {5 g; B" w" h以上这些工艺手段在很大程度上解决了当前生产所遇到的实际问题，尤其是对网状碳化物，当然工艺的执行最终是为了达到工件的使用性能，不管采用那种渗碳工艺，都要依据它的实际使用情况，生产中出现的问题也许正是工件使用中出现失效的根源，所以工艺的进步是建立在工件使用条件的变化上的，正确选择并变通工艺是工艺进步的关键。