滲碳鋼的主要熱處理工序

滲碳鋼的主要熱處理工序一般是在滲碳之后再進(jìn)行淬火和低溫回火。處理后零件的心部為具有足夠強(qiáng)度和韌性的低碳馬氏體組織，表層為硬而耐磨的回火馬氏體和一定量的細(xì)小碳化物組織。

有些結(jié)構(gòu)零件，是在承受較強(qiáng)烈的沖擊作用和受磨損的條件下進(jìn)行工作的，例如汽車、拖拉機(jī)上的變速箱齒輪，內(nèi)燃機(jī)上的凸輪、活塞銷等。

根據(jù)工作條件，要求這些零件具有高的表面硬度和耐磨性，而心部則要求有較高的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)捻g性，即要求工件“表硬里韌”的性能 。

為了兼顧上述雙重性能，可以采用低碳鋼通過滲碳淬火及低溫回火來達(dá)到，此時零件心部是低碳鋼淬火組織，保證了高韌性和足夠的強(qiáng)度，而表層(在一定的深度)則具有高碳量(0.85%～1.05%)，經(jīng)淬火后有很高的硬度(HRC>60)，并可獲得良好的耐磨性。

滲碳鋼的含碳量一般都很低(在 0.15%～0.25%之間)，屬于低碳鋼，這樣的碳含量保證了滲碳零件的心部具有良好的韌性和塑性。

為了提高鋼的心部的強(qiáng)度，可在鋼中加入一定數(shù)量的合金元素，如Cr、Ni、Mn、Mo、W、Ti、B 等。

其中 Cr、Mn、Ni 等合金元素所起的主要作用是增加鋼的淬透性，使其在淬火和低溫回火后表層和心部組織得到強(qiáng)化。

另外，少量的Mo、W、Ti等碳化物形成元素，可形成穩(wěn)定的合金碳化物，起到細(xì)化晶粒、抑制鋼件在滲碳時發(fā)生過熱的作用。

微量的B(0.001%～0.004%)能強(qiáng)烈地增加合金滲碳鋼的淬透性。

滲碳鋼的分類

根據(jù)淬透性或強(qiáng)度等級的不同，合金滲碳鋼分為三類。

1）低淬透性合金滲碳鋼

即低強(qiáng)度滲碳鋼(抗拉強(qiáng)度≤800MPa)，如 15Cr、20Cr、15Mn2、20Mn2 等。這類鋼淬透性低，經(jīng)滲碳、淬火與低溫回火后心部強(qiáng)度較低且強(qiáng)度與韌性配合較差。主要用于制造受力較小，強(qiáng)度要求不高的耐磨零件，如柴油機(jī)的凸輪軸、活塞銷、滑塊、小齒輪等。

這類鋼滲碳時心部晶粒易于長大，特別是錳鋼。若性能要求較高時，這類鋼在滲碳后經(jīng)常采用二次淬火法，即在滲碳后先作正火處理，以消除滲碳時形成的過熱組織，然后再重新加熱淬火 。

2）中淬透性合金滲碳鋼

即中強(qiáng)度滲碳鋼(抗拉強(qiáng)度=800～1200MPa)，如 20CrMnTi、12CrNi3A、20CrMnMo、20MnVB 等。這類鋼含合金元素總量約在 4%左右，由于主要是把 Cr 和 Mn 二元素配合加入鋼中，能更有效地提高淬透性和機(jī)械性能(抗拉強(qiáng)度=1000～1200MPa)。一般用來制造重負(fù)荷的中、小耐磨件和中等負(fù)荷的模數(shù)較大的齒輪。如汽車、拖拉機(jī)的變速箱與后橋齒輪、齒輪軸、十字銷頭、 花鍵軸套、氣門座、凸輪盤等。

這類鋼由于含有Ti、V、Mo，滲碳時奧氏體晶粒長大傾向小，因此可采用自滲碳溫度預(yù)冷到870°C左右直接淬火，并經(jīng)低溫回火后使零件具有較好的機(jī)械性能。

3）高淬透性合金滲碳鋼

即高強(qiáng)度滲碳鋼(抗拉強(qiáng)度＞1200MPa)，如 12Cr2Ni4、18Cr2Ni4WA 等。這類鋼含合金元素總量≤7.5%，由于含 Cr、Ni 元素較多，可大大地提高鋼的淬透性，特別是加入了較多的 Ni，在提高強(qiáng)度的同時，使鋼具有良好的韌性。這類鋼可用作承受重載和強(qiáng)烈磨損的重要大型零件，如內(nèi)燃機(jī)車的主動牽引齒輪、柴油機(jī)曲軸、連桿及缸頭精密螺栓等。

由于含有較高的合金元素，使C曲線大為右移，因而在空氣中冷卻也能得到馬氏體組織；另外，其馬氏體轉(zhuǎn)變溫度也急劇下降，使?jié)B碳表層在淬火后將保留大量的殘余奧氏體。為了減少淬火后殘余奧氏體量，可在淬火前先高溫回火，使碳化物球化或在淬火后采用冷處理。

滲碳鋼的熱處理工序包括預(yù)備熱處理和滲碳淬火工藝，其中熱處理包括普通正火、等溫正火、正火+回火、等溫退火。滲碳淬火主要有滲碳后預(yù)冷直接淬火、滲碳后空冷后一次淬火或滲碳后空冷二次淬火，滲碳淬火后進(jìn)行回火。

目前齒輪鋼常用的標(biāo)準(zhǔn) JB/T7516-1994《齒輪氣體滲碳熱處理工藝以及質(zhì)量控制》。在滲碳工序中通過控制表面碳含量、組織中的碳化物及殘留奧氏體的形態(tài)、分布、表層硬度梯度、以及有效滲碳層深度等，從而可以得到最佳的滲碳層質(zhì)量和最小的變形，提高齒輪的質(zhì)量。滲碳只能改變零件表面的化學(xué)成分，要使零件獲得外硬內(nèi)韌的性能，滲碳熱處理后還必須進(jìn)行淬火加低溫回火，來改善鋼的強(qiáng)韌性和穩(wěn)定零件的尺寸。根據(jù)工件的成分、形狀和力學(xué)性能等，滲碳后常采用以下幾種熱處理方法。

1）直接淬火+低溫回火

將零件自熱處理爐中取出直接淬火，然后回火以獲得表面所需的硬度。直接淬火的條件有兩點(diǎn)：滲碳熱處理后奧氏體晶粒度在 5-6 級以上；滲碳層中無明顯的網(wǎng)狀和塊狀碳化物。20CrMnTi 等鋼在滲碳后大多采用直接淬火。

2）預(yù)冷直接淬火+低溫回火

預(yù)冷的目的是減小零件變形，使表面的殘余奧氏體因碳化物的析出而減少。預(yù)冷直接淬火表面硬度略有提高，但晶粒沒有變化，預(yù)冷溫度應(yīng)高于 Ar3，防止心部析出鐵素體，溫度過高影響預(yù)冷過程中碳化物的析出，殘余奧氏體量增加，同時也使淬火變形增大。

3）一次加熱淬火+低溫回火

將滲碳件快冷至室溫后再重新加熱進(jìn)行淬火和低溫回火，適用于淬火后對心部有較高強(qiáng)度和較好韌性要求的零件。

4）高溫回火+淬火+低溫回火

經(jīng)高溫回火后殘余奧氏體分解，滲層中碳和合金元素以碳化物形式析出，易于機(jī)械加工同時殘余奧氏體減少，主要用于 Cr-Ni 合金鋼零件。

5）二次淬火+低溫回火

將工件冷至室溫后，再進(jìn)行兩次淬火，然后低溫回火。這是一種同時保證心部與表面都獲得高性能的熱處理方法，兩次淬火有利于減少表面的殘余奧氏體數(shù)量。

6）二次淬火+冷處理+低溫回火

也稱為高合金鋼減少表層殘余奧氏體量的熱處理，多用于齒輪和軸類零件。

滲碳件檢驗(yàn)方法

滲碳層深度和有效硬化層深度均為衡量滲碳質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)。合金鋼滲碳層深度為過過共析鋼+共析鋼+全部過渡層的深度，且過共析層+共析層之和應(yīng)為總深度的50%。GB/T9450-2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》規(guī)定了測量方法。

工件的滲碳層深度一般按照工件的載荷大小選擇，一般彎曲疲勞斷裂的齒輪滲碳層深度取下限，接觸疲勞損壞的齒輪滲碳層深度取上限，載荷大的齒輪滲碳層深度取上限。

滲碳零件通常是在淬火、回火后使用，GB/T25744-2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗(yàn)》 規(guī)定了有限硬化層深度大于 0.3mm 的工件滲碳淬火回火金相組織的檢驗(yàn)、金相組織級別的規(guī)定方法。

1、滲碳后淬火、回火組織

（1）直接淬火組織滲碳溫度較高，若直接淬火得到粗大狀馬氏體和較多的殘余奧氏體，此時淬火應(yīng)力大，容易產(chǎn)生裂紋。因此，滲碳后一般采用降溫淬火，以析出部分碳化物，得到細(xì)針狀馬氏體和少量的殘余奧氏體。因此，滲碳后直接淬火工藝，應(yīng)該嚴(yán)格控制降溫淬火的溫度。

（2）一次淬火和低溫回火組織一次淬火和低溫回火組織是表層為較細(xì)的回火針狀馬氏體、少量的殘余奧氏體和少量的顆粒狀碳化物，心部組織為低碳馬氏體。應(yīng)嚴(yán)格控制一次淬火加熱溫度，以保證得到較細(xì)針狀馬氏體和不出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物。

（3）二次淬火和低溫回火組織二次淬火的目的是消除網(wǎng)狀碳化物及細(xì)化組織。滲碳后表層碳含量偏高時，往往出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物組織。例如，一次淬火工藝溫度偏高，消除網(wǎng)狀碳化物組織效果不佳，馬氏體針較為粗大，殘余奧氏體量多時，采用二次淬火工藝。第一次淬火加熱溫度選擇在心部組織的 Ac3 以上，以消除網(wǎng)狀碳化物和細(xì)化心部組織；第二次淬火選擇在 Ac1以上加熱溫度，一般為 780~800℃，采用油淬得到細(xì)小針狀馬氏體、少量殘余奧氏體和顆粒狀碳化物組織。

2、金相試樣一般采用隨爐試樣，試樣應(yīng)與工件材料牌號相同，具有相同的預(yù)備熱處理狀態(tài)，表面粗糙度應(yīng)與工件相同，檢驗(yàn)項(xiàng)目見表 1。

表 1 檢驗(yàn)項(xiàng)目及檢驗(yàn)方法

根據(jù)馬氏體針狀的大小進(jìn)行評級：

表 2 馬氏體的級別評級

根據(jù)殘余奧氏體含量進(jìn)行評級：

表 3 殘余奧氏體的級別評定

根據(jù)滲層表層內(nèi)氧化物的最深處深度進(jìn)行評級：

表 4 內(nèi)氧化物層的級別評定

根據(jù)心部組織形貌及鐵素體的大小、形狀和數(shù)量評級：

表 5 心部組織的級別評定

根據(jù)碳化物形態(tài)、數(shù)量、大小及分布情況評定級別：

表 6 碳化物的級別評定

3、薄層滲碳件金相檢驗(yàn)

滲碳層深度不大于 0.3mm 的薄層滲碳件按照 GB/T9451-2005《鋼件薄表面總硬化層深度或有效硬度層深度的測定》的具體規(guī)定進(jìn)行檢驗(yàn)，可用顯微組織測量法和顯微硬度測量法。

4、重載齒輪金相檢驗(yàn)

重載齒輪的熱處理指標(biāo)主要是有表面硬度（58-62HRC）、心部硬度（58-62HRC）有限硬化層深度、表面碳含量和碳勢分布、晶粒度和殘余奧氏體等。重載齒輪一般要求有效硬化層在 2mm 以上。

滲碳層含碳量會影響滲層的淬透性，對多數(shù)齒輪用鋼而言，在含碳量為 0.8~0.9% 時，滲碳層具有最高的淬透性。滲碳層和心部的晶粒度應(yīng)保證在 7~8 級以上。殘余奧氏體是滲碳層淬火組織中的重要相，殘余奧氏體量過多，則可能產(chǎn)生表面殘留壓力的下降，從而降低齒輪的疲勞強(qiáng)度和耐磨性，但在負(fù)荷的作用下，鋼中的殘余奧氏體發(fā)生塑性變形而使齒的接觸狀況改善且維持齒輪的精度。綜合考慮，殘余奧氏體含量一般控制在10~25%之間。

來源：齒輪傳動

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