淺談機床滲碳件滲層深度與性能

代友貴 苗志博 畢曉旭

1. 前言

在機床零件中，滲碳件占有相當(dāng)?shù)谋壤?，特別是齒輪、軸、套類等零件。滲碳質(zhì)量直接影響機床的精度和壽命，而滲層的表層碳含量，滲層深度，滲碳淬火回火后的硬度以及表層與心部組織，則是衡量滲碳件性能的重要指標(biāo)。根據(jù)這些指標(biāo)的測定，選出最合適的滲層深度，最優(yōu)化的工藝。

1. 備料及制樣

2.1制樣分組

根據(jù)我廠具體情況，本試驗選鋼為20Cr。20Cr鋼的化學(xué)成分（W%）及Ac1，Ac3（℃）：C（0.17-0.24）Si（0.17-0.37）Mn（0.5-0.8）Cr（0.7-1.00），Ac1（766）、Ac3（838）。

經(jīng)過對滲碳件滲層深度要求的統(tǒng)計，篩選出具有代表性的三個滲層范圍，并將試樣分組，編號分別為A、B、C。A組：滲層深度為0.6-0.8mm，B組：滲層深度為0.9-1.3mm，C組：滲層深度為1.3-1.7mm。

2.2試樣種類尺寸及數(shù)量，并打上相應(yīng)編號

金相試樣：φ12X30?? 每樣號3件，共9件

硬度試樣：φ20X12?? 每樣號3件，共9件

沖擊試樣：10X10X55? 每樣號3件，共9件

3.熱處理階段

3.1滲碳工藝

由于碳在鐵素體中的溶解度較小，而在奧氏體中的溶解度較大，所以滲碳必須在Ac3以上的溫度，使鋼在奧氏體狀態(tài)下進(jìn)行。滲碳溫度越高，滲碳層越深。但過高的滲碳溫度將導(dǎo)致晶粒粗化，表層碳濃度過高而形成網(wǎng)狀碳化物，并在淬火后形成大量殘余奧氏體，增加了淬火后的變形、開裂傾向。因此，選擇適合的滲碳溫度尤為重要。選擇滲碳溫度為920℃。根據(jù)A、B、C的三個滲層深度，滲劑為煤油，滲碳時間分別為3-5h;5-8h;8-11h。滲碳工藝如下：

組別A，滲碳溫度920℃，時間3h，爐冷至840℃坑冷。

組別B，滲碳溫度920℃，時間7h，爐冷至840℃坑冷。

組別C，滲碳溫度920℃，時間10h，爐冷至840℃坑冷。

3.2淬火、回火工藝

為使?jié)B碳件具有表面高硬度，高耐磨性和良好的心部韌性，滲碳件在滲碳后必須進(jìn)行恰當(dāng)?shù)拇慊稹⒒鼗鸩拍苓_(dá)到要求。淬火工藝（中溫鹽浴爐加熱800-830℃，淬火保溫時間9-11分鐘，油中冷卻）?；鼗鸸に嚕姞t加熱160-180℃， 90-120分鐘保溫，空冷）。

4.試驗內(nèi)容和方法

滲層深度：利用金相試樣來測量，取三組的平均值。

滲碳層總深度δ總=過共析層δ過+共析層δ共+50%過渡區(qū)δ半。

表面硬度：用洛氏硬度計，取三組的平均值。

組織：心部晶粒度等級。

沖擊韌性：沖擊試驗，取三組的平均值。

5.試驗結(jié)果

表1? 試驗結(jié)果（）

A

B

C

滲層深度

（mm）

б總

б過

б過

б半

б總

б過

б過

б半

б總

б過

б過

б半

0.60

—

0.32

0.28

0.94

0.33

0.28

0.33

1.28

0.34

0.59

0.35

表層碳濃度

0.8%

1.0%

1.05%

表層硬度

63.5 HRC

64 HRC

64 HRC

心部組織

過渡區(qū)粗大

過渡區(qū)粗大

過渡粗大

沖擊韌性

16.5

12.2

9.6

6.滲碳基本原理及過程

滲碳基本原理及過程如下：

（1）滲劑中的反應(yīng)

①是由介質(zhì)（甲醇、煤油、異丙醇）分解出活性原子。如分解產(chǎn)生的一氧化碳和甲烷分解出活性碳原子：CO—CO2+[C]? CH4?—2H2+[C]

②是活性碳原子被工件表面吸收。

③是被吸收碳原子向工件內(nèi)部擴(kuò)散。

（2）滲劑中的擴(kuò)散。滲劑向零件表面擴(kuò)散，然后相界面反應(yīng)產(chǎn)物從界面逸散。

（3）相界面反應(yīng)。入元素的活性原子或分子吸附在零件表面并發(fā)生反應(yīng)，如：2CO+Fe≒Fe【C】+ CO2。吸附的【C】可進(jìn)一步進(jìn)入到鐵的晶格中。

（4）金屬中的擴(kuò)散。由于表面-心部濃度梯度而使碳原子從零件表面向內(nèi)部擴(kuò)散。

（5）金屬中的反應(yīng)。奧氏體中碳濃度升高，二次Fe3 C的析出（冷卻時）。

7.結(jié)果分析

由試驗得出，滲碳時間分別為3h、7h、10h，滲層深度分別為0.6mm、0.94mm、1.28mm。深層深度隨滲碳時間的延長而呈增加的趨勢。從7小時延長到10小時時，表層碳含量僅僅變化了0.05mm，而不是3小時到7小時的0.2mm。

滲碳件淬火后的硬度即淬火馬氏體的硬度，其取決于滲碳件的表層碳含量。因此，當(dāng)表面碳濃度變化不大時，滲碳件淬火后的硬度也無明顯變化。

馬氏體的韌性主要取決于它的亞結(jié)構(gòu)，低碳的位錯型馬氏體具有良好的韌性，而高碳的的孿晶馬氏體則韌性較差。根據(jù)資料，當(dāng)碳含量為0.3-1.0%時為混合型馬氏體，小于0.3%時為位錯型，大于1.0%時為孿晶型。在我們的試驗中，由A?? B?? C，碳含量逐漸增高。因此，孿晶馬氏體逐漸占主導(dǎo)地位，使得零件的沖擊韌性逐漸下降。

綜上，隨著滲碳時間的延長，滲層加深。當(dāng)滲碳進(jìn)行到一定時間后，表面碳濃度和零件淬火后的硬度并未隨著時間的進(jìn)一步延長而有顯著變化，而沖擊韌性卻逐漸下降。因而建議：在一般零件滲碳時，無重載、高負(fù)荷等特殊滲層的使用要求時，應(yīng)優(yōu)先選用中間的滲層（即0.9mm）。這樣，既保證了一定的耐磨性和綜合機械性能，即滲層深度、硬度和韌性等使用要求，又能節(jié)約能源，縮短生產(chǎn)周期，提高效率。