1---摘要

金相法測定滲碳層深度要求試件必須為退火狀態(tài)。采用金相法對淬火+低溫回火狀態(tài)滲碳試件進行了滲層深度的測定,并對其誤差作了對比分析。實驗說明,直接用金相法測定淬火+低溫回火狀態(tài)的化學(xué)熱處理試件滲層深度是可行性的。

2---關(guān)鍵詞

淬火和回火;滲層深度;金相法測定

3---引言

滲層深度的測量有斷口法、顯微硬度法和金相法。斷口法僅適用于熱處理爐前檢查;顯微硬度法能直接反映零件的力學(xué)性能,為滲層深度的仲裁方法,并有相應(yīng)的國家標(biāo)準[1]及行業(yè)標(biāo)準[2];金相法采用滲碳后緩冷試樣測定滲層,由于檢測效率較高且界限明顯而得到廣泛使用[3]。目前滲碳層深度的測定若是仲裁和校核則采用顯微硬度法[4],一般生產(chǎn)控制普遍采用金相法。

我公司生產(chǎn)的汽車滲碳齒輪材質(zhì)為20CrMo鋼,采用氣體滲碳,滲碳后采用預(yù)冷直接淬火+低溫回火工藝,爐前檢測滲碳層深度采用斷口法,最終檢驗采用試件緩冷后的金相法。由于試件狀態(tài)與實際生產(chǎn)零件的不同,退火金相法測定的結(jié)果不能代表零件的最終使用狀態(tài),因此需要對預(yù)冷直接淬火+低溫回火零件直接進行滲層深度測量,但是目前對淬火+低溫回火零件滲碳層深度的測定尚無明確的方法與界限闡述。

01淬回火件滲層深度金相法測量的可行性

目前國內(nèi)常用的滲碳鋼有20鋼、20Mn鋼、20Cr鋼、20CrMo鋼和20CrMnTi鋼等,其含碳量均在低碳鋼(或低碳合金鋼)范圍。低碳鋼與合金鋼滲碳時的主要區(qū)別在于低碳鋼比合金鋼滲層中的碳濃度要低,其組織和硬度略有不同,但對滲碳層深度測量無影響。由于滲碳層具有變化的碳濃度,其由表及里逐漸減小,退火狀態(tài)的滲碳層由表及里由以下三個區(qū)域組成[5]:①過共析層　組織為珠光體+二次滲碳體;②共析層　組織為珠光體;③亞共析滲碳層　過渡層,組織為珠光體+鐵素體。珠光體逐漸減少,鐵素體逐漸增加,直到心部原始組織(珠光體+鐵素體),滲碳緩冷試樣滲碳層界限為出現(xiàn)鐵素體組織,較容易區(qū)分。

滲碳零件采用滲碳預(yù)冷直接淬、回火工藝的一般工藝曲線如下[6]。

圖1　滲碳預(yù)冷直接淬、回火工藝

由于零件自滲碳溫度預(yù)冷至略高于心部Ar3溫度實行淬火,而此時溫度也高于滲碳層各區(qū)域Ar3溫度,按含碳量高低分區(qū),淬火后零件表層組織為針狀淬火馬氏體+殘余奧氏體+顆粒狀碳化物,中間層為隱針馬氏體組織,里層為隱針馬氏體+低碳馬氏體+托氏體組織,心部組織為低碳馬氏體。低溫回火后實際零件應(yīng)由以下三個區(qū)域組成:

①過共析層　含碳量為0.8%～1.0%,組織為針狀回火馬氏體+殘余奧氏體+顆粒狀碳化物;

②共析層　含碳量為0.5%～0.8%,組織為隱針馬氏體;

③亞共析滲碳層(過渡層)　含碳量為0.15%～0.5%,組織為隱針馬氏體+低碳馬氏體;隱針馬氏體逐漸減少,低碳馬氏體逐漸增加。

02淬回火件金相法測滲碳層組織界限探討

要對滲碳淬火+低溫回火零件直接進行滲碳層深度的測量,必須先找出滲碳層的三個區(qū)域界限。圖2至圖4(圖中虛線為開始界限,實線為結(jié)束界限)是同一零件經(jīng)滲碳淬火低溫回火的滲碳層由外及里的組織照片,可以看出組織具有容易分辨的界限。

金相法檢驗滲碳層深度的理論,是建立在滲碳層組織的變化及其區(qū)分上的。而含碳量在0.2%～0.3%之間淬火形成的主要是板條狀馬氏體,含碳量在0.6%～0.8%之間淬火形成的主要是針狀馬氏體[7]。若用淬火低溫回火試樣直接測量滲碳層深度,理論上以組織出現(xiàn)低碳馬氏體作為判定界限。

圖2　過共析層組織(針狀回火馬氏體+殘余奧氏體+顆粒狀碳化物)180×

 圖3　共析層組織(隱針馬氏體)180×

圖4　過渡層組織(隱針馬氏體+低碳馬氏體)180×

由以上滲碳熱處理組織探討及相應(yīng)的組織圖片分析,認為滲碳預(yù)冷淬火回火零件直接進行滲碳深度的測量是可行的,其界限分辨可以依據(jù)低碳馬氏體的出現(xiàn)來判定。

03滲碳層深度測量及評定

用金相法進行滲碳層深度的測量,主要就在于滲層深度界限的規(guī)定,現(xiàn)以低碳馬氏體的出現(xiàn)作為依據(jù),其界限見圖5a～d,測量操作及界限分辨規(guī)定如下。

（a）

（b）

（c）

（d）

圖5　過渡層組織及界線　200×

(1)制樣方法　金相試樣按一般方法制樣,采用4%的硝酸酒精溶液侵蝕,侵蝕時間4～10s,夏天取下限,冬天取上限;試樣侵蝕后立即用水沖洗,快速用脫脂棉蘸酒精輕輕擦拭磨面后吹干。

(2)界限規(guī)定　在光學(xué)顯微鏡下判定界限時,以出現(xiàn)發(fā)亮的板條狀馬氏體為界限。

(3)滲層深度測量時混淆組織的判別如下:

碳化物:一般在零件邊緣出現(xiàn),光學(xué)顯微鏡下呈白亮色的棱角塊狀,有時呈網(wǎng)狀分布,在零件尖角處更多;顯微硬度高。

鐵素體:一般在零件中間部位出現(xiàn),光學(xué)顯微鏡下呈白亮色的塊狀,一般不呈網(wǎng)狀分布,亮度較碳化物弱一些,顯微硬度低。有碳化物出現(xiàn)的區(qū)域不會有鐵素體存在。

殘余奧氏體:一般在零件邊緣隨碳化物、針狀或隱針馬氏體出現(xiàn),光學(xué)顯微鏡下呈亮色,亮度較鐵素體更弱一些,充填針狀馬氏體針葉之間的空隙。

按以上方法對滲碳層深度進行測量,并對同一狀態(tài)、同一觀察部位的試樣采用顯微硬度法進行對比測量,對近兩年來的滲碳深度要求為0.2～014mm,0.4～0.8mm,0.7～1.0mm和0.9～115mm的滲碳件進行了多次重復(fù)測量,滲層深度的測量結(jié)果均值對比見表1。可以看出,采用直接金相法測量滲碳層深度的誤差一般<5%,只在滲層深度<0.3mm時誤差較大,采用退火試樣金相法測量滲碳層深度的一般誤差為5%。

04說明

本方法適用于合金鋼或低碳鋼的滲碳、碳氮共滲零件,滲氮層深度測定亦可參照使用,只是滲氮層表面多了一層白亮層。由于合金鋼與低碳鋼滲碳后組織在光學(xué)顯微鏡下極其相似,劃界方法相同。界限判定推薦放大倍數(shù)為100倍,也可在其它≤400的放大倍數(shù)下進行。放大倍數(shù)太高,組織粗化、明度減弱,不利于界限的確定。

在有顯微硬度計的場合,可以以本方法作為日常測定,把握有困難時采用顯微硬度法作為仲裁測定。

對于不同滲碳鋼界限的三種規(guī)定與退火試樣金相法檢測時界限的三種規(guī)定一致,即①合金滲碳鋼　以過共析、共析和過渡層三者之和作為滲碳層深度。②碳素滲碳鋼　以過共析、共析和過渡層的1/2三者之和作為滲碳層深度。③含鉻的滲碳鋼　以過共析、共析和過渡層的2/3三者之和作為滲碳層深度。

05結(jié)論

采用淬火+低溫回火試樣的直接金相法可以測量≥0.3mm滲碳層深度,其誤差<5%,完全能夠滿足一般生產(chǎn)需要。測量<0.3mm滲碳層深度時誤差較大,應(yīng)謹慎使用。

采用直接金相法(淬火回火試樣)測量滲碳層深度,可以在同一個試樣上觀察零件淬火回火金相組織和測量滲碳層深度,提高了實驗效率。

本方法可以對實際零件直接進行滲碳層深度的測量,在對零部件進行失效分析時十分方便。