1---摘要

金相法測定滲碳層深度要求試件必須為退火狀態。采用金相法對淬火+低溫回火狀態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+低溫回火狀態的化學熱處理試件滲層深度是可行性的。

2---關鍵詞

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性能,為滲層深度的仲裁方法,并有相應的國家標準[1]及行業標準[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],一般生產控制普遍采用金相法。

我公司生產的汽車滲碳齒輪材質為20CrMo鋼,采用氣體滲碳,滲碳后采用預冷直接淬火+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。由于試件狀態與實際生產零件的不同,退火金相法測定的結果不能代表零件的最終使用狀態,因此需要對預冷直接淬火+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,退火狀態的滲碳層由表及里由以下三個區域組成[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鐵素體組織,較容易區分。

滲碳零件采用滲碳預冷直接淬、回火工藝的一般工藝曲線如下[6]。

圖1　滲碳預冷直接淬、回火工藝

由于零件自滲碳溫度預冷至略高于心部Ar3溫度實行淬火,而此時溫度也高于滲碳層各區域Ar3溫度,按含碳量高低分區,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由以下三個區域組成:

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域界限。圖2至圖4(圖中虛線為開始界限,實線為結束界限)是同一零件經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的組織圖片分析,認為滲碳預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低碳馬氏體的出現來判定。

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定,現以低碳馬氏體的出現作為依據,其界限見圖5a～d,測量操作及界限分辨規定如下。

（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)界限規定　在光學顯微鏡下判定界限時,以出現發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,光學顯微鏡下呈白亮色的棱角塊狀,有時呈網狀分布,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,光學顯微鏡下呈白亮色的塊狀,一般不呈網狀分布,亮度較碳化物弱一些,顯微硬度低。有碳化物出現的區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,光學顯微鏡下呈亮色,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、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測量,滲層深度的測量結果均值對比見表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顯微鏡下極其相似,劃界方法相同。界限判定推薦放大倍數為100倍,也可在其它≤400的放大倍數下進行。放大倍數太高,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定與退火試樣金相法檢測時界限的三種規定一致,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需要。測量<0.3mm滲碳層深度時誤差較大,應謹慎使用。

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。