钢[含轴承钢]的渗碳组织及金相检验

钢的渗碳组织及金相检验
一、渗碳后缓冷状态组织
   低碳钢渗碳后，表层含碳量的质量分数一般可达0.8~1.0，相当于过共析钢，由高温缓冷则得到片状珠光体及呈网状、半网状、粒状碳化物。由表层向基体随着碳浓度的下降，则有：共析渗碳层和亚共析渗碳层，其组织形态是碳化物、珠光体逐渐减少，而铁素体逐渐增加。
   根据渗碳工艺要求，碳浓度梯度有严格要求，在总渗碳层中亚共析过渡层碳的质量分数应占25 ~50％，以保证随后进行的淬火工艺质量。在判断过渡区的组织时应注意二次渗碳体与晶界上少量铁素体的区别，一般可用侵蚀试剂法，将渗碳体染色。
   低合金渗碳钢与高合金渗碳钢渗碳后缓冷组织得不到上述的平衡状态，其主要区别是珠光体、渗碳体的粗细，而高合金渗碳钢18Cr2Ni4WA，表层是高碳马氏体，过渡层有时会出现针状贝氏体。

二、渗碳后淬火、回火组织
（一）渗碳后直接淬火的组织
   渗碳工艺是在较高的温度下进行碳元素的扩散，在这个温度下得到的是粗针状马氏体和较多的残留奥氏体，此时虽然沿晶界析出的网状碳化物较少，但淬火应力太大，容易产生裂纹，渗碳后的降温淬火（如860℃）可以减少淬火应力，但碳化物析出明显，马氏体的针叶仍较为粗大。因此，渗碳后直接淬火工艺，一般选择用本质细晶粒钢或者合金渗碳钢，并注意渗碳时表面的碳浓度不要太高。
（二）渗碳后一次淬火和低温回火的组织
   一次淬火和低温回火的工艺是：将渗碳后缓冷的零件，再次加热到淬火温度（一般840~-860℃），保温后淬火，随后进行低温回火。这时在碳浓度最高的表层组织是：较细的针状马氏体、少量的残留奥氏体和少量的颗粒状碳化物。应注意：淬火后不应出现网状碳化物，马氏体针叶也应是“中等”长度，心部组织是低碳马氏体才是合格组织。因此，在一次淬火工艺中的加热温度控制至关重要。
（三）渗碳后二次淬火和低温回火的组织
   采用二次淬火的目的是消除网状碳化物及细化表层组织。渗碳后表层碳浓度偏高时，往往出现网状碳化物组织，而一次淬火工艺对消除这种网状组织效果不大。同时由于一次淬火工艺一般温度偏高，马氏体针较为粗大、残留奥氏体量多。而二次淬火工艺中的第一次淬火加热温度选择在心部组织的Ac3以上以消除网状碳化物及细化心部组织，第二次淬火选择加热温度为780~800℃左右，在奥氏体充分溶解碳化物后，用油淬可得到较细小的针状马氏体、少量残余奥氏体和少量颗粒状碳化物的组织。

三、渗碳层深度的测定
〔一）剥层化学分析法
   取渗碳随炉的棒状试样，按每次进人深度0. 05 mm车削分别用化学分析法测定碳含量。这种方法对渗碳中的碳浓度分析较准确，常用于调试工艺。
（二）断口法
   在圆试棒上开一环形缺口，随炉渗碳后出炉直接淬火，然后打断。由于渗层碳浓度较高，肉眼观察断口呈白色瓷状细晶粒，用读数显微镜测量其深度。此法测量误差较大。
（三）金相法
   1．将过共析层、共析层及亚共析层之和作为全渗碳层。由于工艺不同碳浓度梯度在共析、过共析区域的斜率不同，按有关标准中规定：过共析层＋共析层之和不得小于总渗碳层深度的40~70％，以保证过渡区不能太陡。
   2．在碳钢、合金渗碳钢中，把过共析层、共析层及1/2亚共析层之和作为渗碳层总深度。其结果与硬度法测定有效硬化层的结果相近。
   3．从渗层表面测量到体积分数为50％珠光体处作为渗碳层总深度。这种方法在实际操作中．所观察到的珠光体＋铁素体区域，往往是参差不齐的，对判定50珠光体界限误差较大。
   4．等温淬火后测量渗碳层深度。18Cr2Ni4W钢属马氏体型钢，它没有平衡组织，只能在等温淬火后测其深度。这种钢渗碳后随炉冷却，从表面至心部均为马氏体，在基体与高碳区交界处有贝氏体析出，但在金相显微镜下观察其界限不甚清晰。一般是将试样再加热到860℃后，放人280℃等温槽，数分钟后水淬，这时对含碳量的质量分数大于0.3％的区域形成淬火马氏体，而在含碳量近0.3％区域由于Ms点较高则形成回火马氏体，金相试样侵蚀后则有明显的白色（马氏体）区和黑色（回火马氏体）区的界线。其相关标准可见JB/T 7710-1995《薄层碳氮共渗或薄层渗碳钢件显微组织检测》等行业标准。
（四）显微硬度法（有效硬化层深度测定法）
显微硬度法是从试样边缘起测量显微硬度值的分布梯度，根据GB/T 9450-1988《钢件渗碳淬火有效硬化层深度的测定和校核》的标准规定判断渗层深度。
对GB/T 9450-1988标准的应用应注意：
1．有效硬化层深度是指：从零件表面到维氏硬度值为550 HV处的垂直距离。有效硬化层用DC表示，对象可以是渗碳和碳氮共渗，其有效硬化层深度大于0.3 mm的零件。
2．零件是经过热处理后的最终硬度。
3．适用于基体硬度小于450HV的零件，标准规定的基体硬度位置应离表面硬化有效区域的三倍，即某零件有效硬化层为l mm时，基体硬度应在3 mm处。
4．基体硬度大于450HV时，需经各方协商确定有效硬化层深度。一般是采用以25 HV为一档加到550 HV界限硬度值上。
5．在有争议的情况下，该标准的测量方法是惟一可采用的仲裁方法。
与上述标准相关的GB/T 9451-1988《钢件薄表面总硬化层深度或有效硬化层深度的测定》，对薄层有效硬化层深度的测定可采用努氏显微硬度计，长形棱锥压头可使测量值精确度大大提高。

四、渗碳零件检验的应用
渗碳零件在机械行业的采用相当广泛。能用做渗碳零件的材料达数十种。针对不同材料的特性应熟练掌握其金相检验技术。
（一）用做汽车渗碳齿轮的低碳合金钢
如15Cr、20Cr、20CrMnTi、12Cr2Ni5A、20Cr2Ni4A等钢种，渗碳后表层含碳量的质量分数为0.8~1.0％。金相检验样品取样分析部位是齿顶角及工作表面。上述这些材料的心部硬度一般在35~45 HRC，经渗碳淬火回火工艺后表面硬度为58~63 HRC。相关标准中规定了碳化物级别，用400×的级别图，常啮合齿轮1~5级合格，换档齿轮1~4级合格。对残留奥氏休和马氏体的评定检查部位是齿节圆和齿根部位，按级别图对应分别是1~5级合格。由于上述材料的特性，金相组织中可观察到少量非马氏体组织也叫托氏体黑色组织，其厚度在0.02 mm是允许的。

（二）用做重载齿轮的材料
如20CrMnTi、20CrNiMo、20CrNi2Mo、12CrNi3、15CrNi3Mo、20Cr2Ni4等钢种。相关标准检验项目分别有四项：
1．渗碳层球化处理后金相检验  表层检验部位含碳量的质量分数推荐为0.75％~1.05％，随炉试样尺寸为Φ15~20 mm、长度80~100 mm，渗碳出炉后立即放人800~820℃小型炉中随炉冷却到500℃以下，取横向试样制成金相试样。注意小型炉中不得脱碳。等温球化退火金相级别以碳化物网及片的多少评级，1~3级合格，4级协商。高温回火金相级别以碳化物形态分布程度评级，1~2级合格，3级协商，4级为不合格。
2．渗碳质量检验  齿表面碳含量的质量分数为0.75~1.1％，表面硬度52~62 HRC, 在齿面硬度为52~56 HRC时，推荐有效硬化层深度的硬度界限值为500 HV。金相组织中观察到的碳化物应分布均匀，不允许连续网状、针状和棱角状碳化物，残留奥氏体的体积分数应在30％以内。心部晶粒度不低于5级，显微组织应为低碳马氏体或下贝氏体加少量游离铁素体，不允许有大量块状、网状或针状铁素体出现。
3．渗碳金相检验  标准中分别列出：马氏体和残留奥氏体级别图，碳化物级别图和心部组织级别图。规定金相组织为隐晶或细针马氏体加上体积分数少于30％的残留奥氏体，1~4级为合格。碳化物1~3级为合格，心部组织分散型铁素体和集中型铁素体1~4级为合格。
4．渗碳表面碳含量金相判别  检验部位在表面至0.15 mm处，按评级标准图评定。
（三）25MnTiRE钢渗碳齿轮
相关标准对碳化物无明显要求。表层组织马氏体1~5级合格，5级马氏体针叶长度为0.02~0.024 mm，残留奥氏体1~5级合格，5级残留奥氏体的体积分数为34％~40％。评定心部组织铁素体取样部位是距离齿顶2/3齿全高处，齿轮模数≤5时1~4级合格，心部铁素体含量的体积分数为1％~4％。齿轮模数＞5时1~5级合格，心部铁素体含量为<8％。

（四）内燃机活塞销
具有内孔的渗碳零件，对内孔增加了不允许内孔表面有全脱碳，只允许贫碳层深度≯0.05 mm的要求。显微组织中马氏体针长规定：5级马氏体针长为12~16μm，6级为16~24μm，碳化物1~3级合格，允许呈断续网状。
（五）用20CrMo、25SiCrMoV、18Cr2Ni4WA钢制造的柴油机喷油嘴偶件、喷油泵柱塞偶件、喷油泵出油阀偶件
必须对渗碳淬回火后的组织进行评定。显微组织中的碳化物、马氏体及残留奥氏体均在回火状态下选取样品中最严重视场，碳化物要小于等于4级，马氏体及残留奥氏体要小于等于3级。
由于钢种不同对渗碳层的深度测量，除按常规办法外，20CrMo, 25SiCrMoV钢可用平衡态测定。12Cr2Ni4WA钢则用等温淬火法。适用于马氏体型钢种的是空冷淬火法，其渗碳层总深度的界限在没有明显下贝氏体处。