20鋼滲碳工藝

宋勁松，徐曉東，田 野，卞豪亮，蘇浩男，張曉飛

(1.承德石油高等?？茖W(xué)校 工業(yè)技術(shù)中心，河北 承德 067000；2.承德江鉆石油機(jī)械有限責(zé)任公司，河北 承德 067000)

20鋼滲碳工藝

宋勁松1，徐曉東1，田 野1，卞豪亮1，蘇浩男1，張曉飛2

(1.承德石油高等專科學(xué)校 工業(yè)技術(shù)中心，河北 承德 067000；2.承德江鉆石油機(jī)械有限責(zé)任公司，河北 承德 067000)

通過(guò)金相顯微鏡分析及顯微硬度的測(cè)試研究了20鋼的滲碳工藝及力學(xué)性能，結(jié)果表明：隨著滲碳時(shí)間的延長(zhǎng)，滲碳層的厚度逐漸增加，滲碳過(guò)程符合Fick第二定律；經(jīng)滲碳處理工件表面的顯微硬度是未經(jīng)滲碳處理的2.5倍，達(dá)到442.4 HV0.3，顯著地提高了20鋼表面的強(qiáng)度。

20鋼；滲碳處理；力學(xué)性能；顯微組織

20鋼屬于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有優(yōu)良的韌性以及冷變形塑性，在汽車及機(jī)械制造業(yè)中廣泛用作零部件，但其硬度低，耐磨性差的缺點(diǎn)嚴(yán)重地限制了其應(yīng)用范圍。為保證20鋼在不丟失良好的塑韌性的同時(shí)還具有優(yōu)良的硬度及耐磨性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作，其中主要是采用表面強(qiáng)化技術(shù)，其中包括滲碳，滲碳是指在一定溫度下加熱和保溫，使活性碳原子滲入到工件的表層及次表層中，通過(guò)改變工件表面的化學(xué)成分而形成碳化物硬質(zhì)相，來(lái)獲得所需的力學(xué)性能[1-3]。在實(shí)驗(yàn)中選用常用的20鋼，分析了滲碳時(shí)間、滲層深度及組織變化之間的關(guān)系，總結(jié)不同滲碳時(shí)間對(duì)20鋼顯微組織及性能的影響及變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為20鋼，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：0.19%C、0.22%Si、0.53%Mn、0.011%P、0.004%S、0.035%Al，Ac1點(diǎn)和Ac 3點(diǎn)分別為729 ℃和815 ℃[4]。固體滲碳劑主要是由木炭粒和碳酸鹽(BaCO3或Na2CO3等組成)組成，其中木炭粒是主滲劑，碳酸鹽是催滲劑。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

尺寸為Φ10 mm×30 mm的試樣埋裝在滲碳箱中(見(jiàn)圖1)，將滲碳箱放入SX2型箱式電阻爐內(nèi)進(jìn)行固體滲碳，其中密封劑的作用是防止?jié)B碳件氧化及活性碳原子的逸出，滲碳時(shí)間分別為0 h、2 h、4 h、6 h、8 h、10 h。將滲碳后的試樣用4%的硝酸酒精腐蝕，在MDS倒置金相顯微鏡上進(jìn)行顯微組織的觀察、金相照片的拍照及滲碳層厚度的初步測(cè)定，將觀察后的試樣在SHIMADZU HMV-2型顯微硬度計(jì)進(jìn)行試樣顯微硬度的測(cè)量，載荷為300 g，時(shí)間為15 s，為減少實(shí)驗(yàn)誤差，實(shí)驗(yàn)選擇測(cè)量20個(gè)點(diǎn)取平均值的方法來(lái)衡量表層，過(guò)渡層及心部的硬度值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1顯微組織

未經(jīng)滲碳處理工件的金相照片如圖2(a)所示，其顯微組織由亮白色的鐵素體及暗黑色的珠光體構(gòu)成，由于本實(shí)驗(yàn)所用材料為20鋼，含碳量較低，因此鐵素體所占比重較大，圖中鐵素體的亮暗程度不一是由于腐蝕程度不同造成的。經(jīng)過(guò)滲碳處理工件的表面層、過(guò)渡層及中心部分的金相照片如圖2(b)～圖2(d)所示。由圖2可知，經(jīng)滲碳處理工件的晶粒尺寸相較于未經(jīng)滲碳處理工件均有不同程度的變大，這是由于本實(shí)驗(yàn)的加熱溫度為930 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于20鋼的Ac3線，且冷卻方式為隨爐冷卻，冷卻速度十分緩慢，冷卻過(guò)程中晶粒的長(zhǎng)大符合Ostwald熟化機(jī)制[5]，在冷卻過(guò)程中形成的大奧氏體晶粒吞并小的晶粒，從而使晶粒長(zhǎng)大。經(jīng)過(guò)滲碳處理工件從表面至心部的顯微組織均發(fā)生了明顯的變化，表面由白亮色和暗黑色相間變?yōu)槿康陌岛谏M織，根據(jù)暗黑色組織和亮白色組織的比例，稱此層為“表層”，距離心部較近的過(guò)渡層中暗黑色和亮白色組織各占一半，稱此層為“過(guò)渡層”，心部組織除晶粒稍有增大外無(wú)明顯變化，稱此層為“心部”。

2.2滲碳時(shí)間對(duì)滲層深度的影響

滲碳時(shí)間分別為0 h、2 h、4 h、6 h、8 h、10 h的滲層深度如圖3所示，由圖3可知，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，滲層深度是逐漸增加的，當(dāng)滲碳時(shí)間為10 h時(shí)，滲層深度達(dá)到最大值，滲層深度為 1 270 μm。

滲層深度的增長(zhǎng)速率是逐漸降低的，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，其增長(zhǎng)速率越小，符合Fick第二定律。這是因?yàn)殡S著滲碳時(shí)間的延長(zhǎng)，部分活性碳原子滲入工件內(nèi)部，使得滲碳箱內(nèi)部的碳勢(shì)降低，活性碳原子在擴(kuò)散過(guò)程中驅(qū)動(dòng)力減小，此外，隨著滲層深度的增加，活性碳原子向工件內(nèi)部擴(kuò)散路徑增加，阻力也隨之大大增加，綜合起來(lái)導(dǎo)致滲層深度增加的速率逐漸降低。

2.3力學(xué)性能測(cè)試

硬度是材料強(qiáng)度及韌性的綜合指標(biāo)，對(duì)衡量材料的綜合力學(xué)性能具有重要意義，對(duì)組成物或組成相的形態(tài)不十分敏感，它的大小主要取決于組成相的數(shù)量和硬度。

實(shí)驗(yàn)對(duì)保溫時(shí)間為10 h滲碳件的表層、過(guò)渡層以及心部進(jìn)行了顯微硬度的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。由圖可4知，工件的顯微硬度由心部至表面逐漸增大，這是由于鐵碳合金中鐵素體是軟韌相，滲碳體是硬脆相，經(jīng)滲碳處理的鐵碳合金由心部至表層含碳量逐漸增加，高硬度的滲碳體增多，低硬度的鐵素體減少。

此外，大面積存在于過(guò)渡層和表層的由鐵素體與滲碳體組成的片層相間的珠光體組織大大提高了鐵碳合金的硬度，因此，由心部至表層滲碳件的硬度呈升高趨勢(shì)。存在于表層沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀分布的先共析滲碳體(如圖5所示)也起到了一定的強(qiáng)化作用，所以表層的硬度最高。

3 滲碳層形成過(guò)程分析

鋼之所以能夠滲碳，是因?yàn)殇撛诟邷貖W氏體狀態(tài)時(shí)，其晶體結(jié)構(gòu)為面心立方，間隙較大，對(duì)碳具有相對(duì)大的溶解度(2.11%)，鋼的滲碳就借助這個(gè)原理。但是，并不是所有狀態(tài)的碳都可以被鋼表面所吸收，只有活性碳原子才能被鋼表面吸收，被吸收的碳原子，在高溫狀態(tài)下由外向內(nèi)擴(kuò)散，從而形成一定厚度的滲碳層。本次實(shí)驗(yàn)采用固體滲碳的方法，就是將固體滲碳劑與試件一同放入密封的滲碳箱內(nèi)，在930 ℃下進(jìn)行保溫一段時(shí)間后隨爐冷卻。

活性碳原子的形成過(guò)程如下：

固體滲碳劑不完全燃燒形成CO，反應(yīng)為：

2C+O2=2CO

在高溫下，CO與20鋼表面接觸，分解出活性碳原子，反應(yīng)為：

其他反應(yīng)形成活性碳原子：

CO+H2=H2O+[C]

(含碳化合物的分解，形成活性碳原子用[C]表示)

20鋼為典型的體心立方結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)中的主要空隙是兩個(gè)相鄰晶胞的體中心鐵原子形成的八面體間隙。對(duì)20鋼滲碳的過(guò)程，就是在加熱環(huán)境下溶質(zhì)碳原子從工件的表層擴(kuò)散到內(nèi)層組織的過(guò)程，即活性碳原子從鐵晶格外部遷移到鐵晶格的八面體間隙中的過(guò)程[6,7]，其具體過(guò)程可分為三個(gè)階段：

第一階段：γ狀態(tài)的飽和滲碳。

20鋼在930 ℃下為奧氏體狀態(tài)，在未滲碳的情況下其含碳量大概為0.19%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到飽和狀態(tài)，因此外界存在的活性碳原子便優(yōu)先進(jìn)入到奧氏體的八面體間隙中，隨后進(jìn)入到四面體間隙中，隨著滲碳時(shí)間的延長(zhǎng)，工件的最表層便達(dá)到奧氏體飽和狀態(tài)[8,9]。

第二階段：過(guò)渡層的形成。

隨著滲碳時(shí)間的延長(zhǎng)，外界的碳勢(shì)還足夠高，而最表層的奧氏體已經(jīng)達(dá)到了飽和狀態(tài)，已經(jīng)進(jìn)入到奧氏體間隙中的碳原子將向著碳原子濃度低的方向擴(kuò)散，此外，外界的活性碳原子順著微裂紋、位錯(cuò)等擴(kuò)散通道向工件內(nèi)部繼續(xù)擴(kuò)散，從而形成了由飽和奧氏體和未飽和奧氏體組成的過(guò)渡層。

第三階段：形成過(guò)飽和層。

根據(jù)Fick第二定律，當(dāng)碳飽和的奧氏體層以及過(guò)渡層有一定的厚度，而外界的碳勢(shì)依然很高時(shí)，活性碳原子會(huì)繼續(xù)向工件擴(kuò)散，由于表層的奧氏體已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)，因此，活性碳原子便存在于點(diǎn)缺陷等間隙處，這些碳原子并沒(méi)有進(jìn)入到鐵原子的晶格中，而是以游離的狀態(tài)存在于間隙中，最終碳化物的堆積形成碳過(guò)飽和層。

4 結(jié)論

1)隨著滲碳時(shí)間的延長(zhǎng)，滲層深度逐漸增加。滲碳過(guò)程符合Fick第二定律，而其晶粒的長(zhǎng)大方式符合Ostwald熟化機(jī)制。

2)20鋼經(jīng)930 ℃、10 h滲碳處理后，其表面硬度是未經(jīng)滲碳處理的2.5倍，達(dá)到了442.4HV0.3，顯著地提高了20鋼表面的強(qiáng)度，為20鋼更廣闊的的應(yīng)用提供了可能。

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CarburizationProcessfor20Steel

SONG Jin-song1, XU Xiao-dong1, TIAN Ye1, BIAN Hao-liang1,SU Hao-nan1, ZHANG Xiao-fei2

(1.Industrial Technology Center, Chengde Petroleum College, Chengde 067000, Hebei, China；2.Chengde Kingdream Petroleum Machinery Co., LTD, Chengde 067000, Hebei, China)

The carburization process and mechanical proprieties of 20 steel were studied by metallographic microscope and microhardness. The results show that the thickness of layer were gradually increasing with the time, carburizing process conforms to the Fick second law. After carburizing treatment the microhardness on the surface of the workpiece is 2.5 times than without carburizing treatment. The microhardness can be up to 442.4 HV.The strength of the surface of 20 steel were improved significantly.

20 steel; carburizing treatment; mechanical property; microscopic structure

TG156

A

1008-9446(2017)04-0044-04

2016-11-29

宋勁松(1990-)，男，河北承德人，助教，主要從事機(jī)械加工和教學(xué)，E-mail：sjspc1@163.com。