浅谈机床渗碳件渗层深度与性能

代友贵 苗志博 毕晓旭

1. 前言

在机床零件中，渗碳件占有相当的比例，特别是齿轮、轴、套类等零件。渗碳质量直接影响机床的精度和寿命，而渗层的表层碳含量，渗层深度，渗碳淬火回火后的硬度以及表层与心部组织，则是衡量渗碳件性能的重要指标。根据这些指标的测定，选出最合适的渗层深度，最优化的工艺。

1. 备料及制样

2.1制样分组

根据我厂具体情况，本试验选钢为20Cr。20Cr钢的化学成分（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）。

经过对渗碳件渗层深度要求的统计，筛选出具有代表性的三个渗层范围，并将试样分组，编号分别为A、B、C。A组：渗层深度为0.6-0.8mm，B组：渗层深度为0.9-1.3mm，C组：渗层深度为1.3-1.7mm。

2.2试样种类尺寸及数量，并打上相应编号

金相试样：φ12X30   每样号3件，共9件

硬度试样：φ20X12   每样号3件，共9件

冲击试样：10X10X55  每样号3件，共9件

3.热处理阶段

3.1渗碳工艺

由于碳在铁素体中的溶解度较小，而在奥氏体中的溶解度较大，所以渗碳必须在Ac3以上的温度，使钢在奥氏体状态下进行。渗碳温度越高，渗碳层越深。但过高的渗碳温度将导致晶粒粗化，表层碳浓度过高而形成网状碳化物，并在淬火后形成大量残余奥氏体，增加了淬火后的变形、开裂倾向。因此，选择适合的渗碳温度尤为重要。选择渗碳温度为920℃。根据A、B、C的三个渗层深度，渗剂为煤油，渗碳时间分别为3-5h;5-8h;8-11h。渗碳工艺如下：

组别A，渗碳温度920℃，时间3h，炉冷至840℃坑冷。

组别B，渗碳温度920℃，时间7h，炉冷至840℃坑冷。

组别C，渗碳温度920℃，时间10h，炉冷至840℃坑冷。

3.2淬火、回火工艺

为使渗碳件具有表面高硬度，高耐磨性和良好的心部韧性，渗碳件在渗碳后必须进行恰当的淬火、回火才能达到要求。淬火工艺（中温盐浴炉加热800-830℃，淬火保温时间9-11分钟，油中冷却）。回火工艺（电炉加热160-180℃， 90-120分钟保温，空冷）。

4.试验内容和方法

渗层深度：利用金相试样来测量，取三组的平均值。

渗碳层总深度δ总=过共析层δ过+共析层δ共+50%过渡区δ半。

表面硬度：用洛氏硬度计，取三组的平均值。

组织：心部晶粒度等级。

冲击韧性：冲击试验，取三组的平均值。

5.试验结果

表1  试验结果（）

A

B

C

渗层深度

（mm）

б总

б过

б过

б半

б总

б过

б过

б半

б总

б过

б过

б半

0.60

—

0.32

0.28

0.94

0.33

0.28

0.33

1.28

0.34

0.59

0.35

表层碳浓度

0.8%

1.0%

1.05%

表层硬度

63.5 HRC

64 HRC

64 HRC

心部组织

过渡区粗大

过渡区粗大

过渡粗大

冲击韧性

16.5

12.2

9.6

6.渗碳基本原理及过程

渗碳基本原理及过程如下：

（1）渗剂中的反应

①是由介质（甲醇、煤油、异丙醇）分解出活性原子。如分解产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内部扩散。

（2）渗剂中的扩散。渗剂向零件表面扩散，然后相界面反应产物从界面逸散。

（3）相界面反应。入元素的活性原子或分子吸附在零件表面并发生反应，如：2CO+Fe≒Fe【C】+ CO2。吸附的【C】可进一步进入到铁的晶格中。

（4）金属中的扩散。由于表面-心部浓度梯度而使碳原子从零件表面向内部扩散。

（5）金属中的反应。奥氏体中碳浓度升高，二次Fe3 C的析出（冷却时）。

7.结果分析

由试验得出，渗碳时间分别为3h、7h、10h，渗层深度分别为0.6mm、0.94mm、1.28mm。深层深度随渗碳时间的延长而呈增加的趋势。从7小时延长到10小时时，表层碳含量仅仅变化了0.05mm，而不是3小时到7小时的0.2mm。

渗碳件淬火后的硬度即淬火马氏体的硬度，其取决于渗碳件的表层碳含量。因此，当表面碳浓度变化不大时，渗碳件淬火后的硬度也无明显变化。

马氏体的韧性主要取决于它的亚结构，低碳的位错型马氏体具有良好的韧性，而高碳的的孪晶马氏体则韧性较差。根据资料，当碳含量为0.3-1.0%时为混合型马氏体，小于0.3%时为位错型，大于1.0%时为孪晶型。在我们的试验中，由A   B   C，碳含量逐渐增高。因此，孪晶马氏体逐渐占主导地位，使得零件的冲击韧性逐渐下降。

综上，随着渗碳时间的延长，渗层加深。当渗碳进行到一定时间后，表面碳浓度和零件淬火后的硬度并未随着时间的进一步延长而有显著变化，而冲击韧性却逐渐下降。因而建议：在一般零件渗碳时，无重载、高负荷等特殊渗层的使用要求时，应优先选用中间的渗层（即0.9mm）。这样，既保证了一定的耐磨性和综合机械性能，即渗层深度、硬度和韧性等使用要求，又能节约能源，缩短生产周期，提高效率。