測定螺紋聯(lián)接釬桿滲碳層碳濃度梯度的光譜分層法

孫莎莎，肖上工

（河南千王釬具公司，河南 商水466100）

1 前言

液壓鑿巖機(jī)用螺紋釬桿，是技術(shù)含量很高的釬桿品種，它的外形為一細(xì)長桿體，它的服役條件是在腐蝕介質(zhì)中承受高頻的拉壓、彎曲和扭轉(zhuǎn)的載荷，因而要求所用的鋼鐵材料性能及其熱處理工藝必須優(yōu)良、可靠。 制造螺紋聯(lián)接釬桿主要采用23CrNi3Mo 鋼，滲碳-淬火是其最重要的熱處理工藝。鋼件滲碳層各層次碳濃度測定歷來采用車削剝層法，鐵屑經(jīng)化學(xué)分析測定含碳量[1]。這一辦法要用精密車床加工及繁瑣的化學(xué)分析過程，費時、費力、成本高，干擾因素多。國內(nèi)曾有人采用進(jìn)口直讀光譜儀做過熱處理滲碳后的碳濃度梯度分析[2]，但未見此法在釬具行業(yè)中應(yīng)用的報道。

2 碳濃度梯度的定義

滲碳工藝的主要技術(shù)指標(biāo)之一是滲層碳的濃度梯度，在滲碳熱處理工藝試驗中，通過了解不同滲碳工藝滲碳層的濃度梯度，可調(diào)整滲碳時間、擴(kuò)散時間和碳勢，從而確定符合零件要求的滲碳工藝。滲碳層的碳濃度梯度反映了碳含量沿滲碳層深度方向下降的狀況，直接影響淬硬層的硬度梯度。 碳濃度梯度的下降應(yīng)平緩，以利于滲碳層與心部的結(jié)合。 否則，釬桿在使用中容易產(chǎn)生表層剝落現(xiàn)象，導(dǎo)致釬桿過早失效，降低釬桿的使用壽命。

3 滲碳層的技術(shù)要求

滲碳后螺紋聯(lián)接釬桿的使用性能取決于滲層組織。 為了滿足滲碳釬桿的使用性能，要求它的表面具有高的硬度和耐磨性，對滲碳層有以下要求：

（1）滲碳釬桿表面的碳濃度對力學(xué)性能有較大影響，Wt(C)應(yīng)控制在0.85%～1.05%之間，一般要求在0.9%左右。 如果要求耐磨則選用上限，要求強(qiáng)韌而又有一定的耐磨性可選用下限，亦可綜合考慮，其效果更好。表面碳濃度太低，淬火后的硬度低，達(dá)不到所要求的高硬度和高耐磨性。 碳濃度太高，容易形成大塊或網(wǎng)狀碳化物，使?jié)B層脆性增大甚至剝落；碳濃度過高，還會使淬火后殘留奧氏體量增加，降低工件的疲勞強(qiáng)度。

（2）滲碳層的碳濃度梯度反映了碳含量沿滲碳層深度方向下降的狀況，直接影響淬硬層的硬度梯度。 碳濃度梯度的下降應(yīng)平緩，以利于滲碳層與心部的結(jié)合。 否則，在使用中容易產(chǎn)生剝落現(xiàn)象。

（3）滲碳層組織：工件自滲碳溫度緩慢冷卻后，表面層的碳濃度最高，組織為珠光體和碳化物（即過共析層）；次層的碳濃度稍低，組織為珠光體（即共析層）；再次層為珠光體和鐵素體（即亞共析層，也稱過渡層）。亞共析層是指從出現(xiàn)鐵素體到原始組織之間的區(qū)域。 滲碳工件經(jīng)淬火后，滲碳層的組織應(yīng)為細(xì)針狀馬氏體加少量殘留奧氏體及均勻分布的粒狀碳化物，不允許有網(wǎng)狀碳化物存在， 殘留奧氏體量一般不超過15%—20%（體積分?jǐn)?shù)）。 心部組織應(yīng)為低碳馬氏體或下貝氏體，不允許有塊狀或沿晶界析出的鐵素體存在；否則疲勞強(qiáng)度將急劇下降，沖擊韌度也會下降。

（4）滲碳層深度:它對工件彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度的影響很大，主要表現(xiàn)在滲層深度與工件斷面厚度之間的關(guān)系上，應(yīng)根據(jù)工件的尺寸、工作條件和鋼的化學(xué)成分決定。 在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下工作的工件，如螺紋聯(lián)接釬桿要求滲碳層深度為0.8～1.8 mm。 滲碳層太薄，容易引起表面壓陷；滲層太厚，影響工件的抗沖擊能力。

4 直讀光譜法

4.1 試驗步驟

（1）將待滲碳的材料（23CrNi3Mo）加工制備成要求嚴(yán)格的平面試樣。 本次試驗的R46 圓形中空鋼其化學(xué)成分見表1， 將其制成滲碳試樣（試樣長度100 mm）后隨爐滲碳。

表1

（2）試驗儀器

國產(chǎn)東儀直讀光譜儀，型號DF-100E。

（3）試樣（見圖1）經(jīng)過滲碳后，從表至里，每隔一定深度采用光譜盤式磨樣機(jī)上的砂輪片打磨（一定要磨平并達(dá)到規(guī)定的平面度和粗糙度）。

圖1

（4） 用游標(biāo)卡尺準(zhǔn)確測量試樣打磨后的高度，作好記錄。

（5） 用直讀光譜儀每測試三次取其平均值。在測試過程中，放電穩(wěn)定、分析時間短、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

4.2 測試結(jié)果

23CrNi3Mo 滲碳樣測試數(shù)據(jù)見表2， 碳濃度梯度曲線見圖2。 梯度曲線顯示，碳濃度梯度的下降平緩，表明碳濃度梯度正常。 這樣滲層與心部的結(jié)合就越牢固，疲勞抗力就越高。 此分析方法現(xiàn)已用于生產(chǎn)，確保了產(chǎn)品質(zhì)量。

表2

圖2

5 結(jié)論

（1）直讀光譜分層法測定螺紋釬桿表面滲碳層碳濃度梯度簡單、易行、可靠。

（2）國產(chǎn)直讀光譜儀放電穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠。