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一、滲碳工藝

 

滲碳處理是應(yīng)用最早和最廣的表面化學(xué)熱處理工藝。它是將碳元素滲入到鋼的表面，使零件表面碳含量增加，隨后通過(guò)淬火使表層得到高的硬度，心部得到硬度較低具有良好強(qiáng)韌性的低碳馬氏體。滲碳方案有固體滲碳、液體滲碳和氣體滲碳三種，現(xiàn)在工業(yè)中主要采用的是氣體滲碳法。

 

  滲碳鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常在0.1%~0.25%之間，鋼種主要合金元素有Cr、Ni、Mn、Mo和B等，其作用主要提高鋼的淬透性，使在滲碳淬火后獲得心部高的強(qiáng)度和韌性，目前滲碳工藝應(yīng)用最廣泛的為齒輪鋼系列產(chǎn)品。

 

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(guò)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。

 

二、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(guò)過(guò)共析鋼+共析鋼+全部過(guò)渡層的深度，且過(guò)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(cè)定和校核》規(guī)定了測(cè)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(jí)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(hào)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(jiàn)表1。

 

表1 檢驗(yàn)項(xiàng)目及檢驗(yàn)方法

 

檢驗(yàn)項(xiàng)目	檢驗(yàn)部位	制樣條件	評(píng)定方法
馬氏體	距滲碳表面0.05~0.15mm之間區(qū)域	侵蝕后	500倍視野下，比較法評(píng)級(jí)
殘余奧實(shí)體	距滲碳表面0.05~0.15mm之間區(qū)域	侵蝕后	500倍視野下，比較法評(píng)級(jí)
碳化物	近滲層表層區(qū)	深侵蝕后	500倍視野下，比較法評(píng)級(jí)
表層內(nèi)氧化層深度	滲層表層	未侵蝕	500倍視野下，根據(jù)內(nèi)氧化層深度評(píng)級(jí)
心部組織	試樣心部	侵蝕后	500倍視野下，比較法評(píng)級(jí)
有效硬化層深度	按GB/T9450規(guī)定制定
注：應(yīng)考慮熱處理后表面磨削去除因素

 

根據(jù)馬氏體針狀的大小進(jìn)行評(píng)級(jí)：

 

表2 馬氏體的級(jí)別評(píng)級(jí)

 

級(jí)別	特征說(shuō)明
1級(jí)	隱針及細(xì)針馬氏體，馬氏體針長(zhǎng)≤3μm
2級(jí)	細(xì)針馬氏體，馬氏體針長(zhǎng)＞3μm-5μm
3級(jí)	細(xì)針馬氏體，馬氏體針長(zhǎng)＞5μm-8μm
4級(jí)	針狀馬氏體，馬氏體針長(zhǎng)＞8μm-13μm
5級(jí)	針狀馬氏體，馬氏體針長(zhǎng)＞13μm-20μm
6級(jí)	粗狀馬氏體，馬氏體針長(zhǎng)＞20μm-30μm

 

根據(jù)殘余奧氏體含量進(jìn)行評(píng)級(jí)：

 

表3 殘余奧氏體的級(jí)別評(píng)定

 

級(jí)別	特征說(shuō)明
1級(jí)	殘余奧氏體含量≤5%
2級(jí)	殘余奧氏體含量＞5%-10%
3級(jí)	殘余奧氏體含量＞10%-18%
4級(jí)	殘余奧氏體含量＞18%-25%
5級(jí)	殘余奧氏體含量＞25%-30%
6級(jí)	殘余奧氏體含量＞30%-40%

 

根據(jù)滲層表層內(nèi)氧化物的最深處深度進(jìn)行評(píng)級(jí)：

 

表4 內(nèi)氧化物層的級(jí)別評(píng)定

 

級(jí)別	特征說(shuō)明
1級(jí)	表層未見(jiàn)沿晶分布的灰色氧化物，無(wú)內(nèi)氧化層
2級(jí)	表層可見(jiàn)沿晶分布的灰色氧化物，內(nèi)氧化層深度≤6μm
3級(jí)	表層可見(jiàn)沿晶分布的灰色氧化物，內(nèi)氧化層深度＞6μm-12μm
4級(jí)	表層可見(jiàn)沿晶分布的灰色氧化物，內(nèi)氧化層深度＞12μm-20μm
5級(jí)	表層可見(jiàn)沿晶分布的灰色氧化物，內(nèi)氧化層深度＞20μm-30μm
6級(jí)	表層可見(jiàn)沿晶分布的灰色氧化物，內(nèi)氧化層深度＞30μm，最深度深度用具體數(shù)字表示。

 

根據(jù)心部組織形貌及鐵素體的大小、形狀和數(shù)量評(píng)級(jí)：

 

表5 心部組織的級(jí)別評(píng)定

 

級(jí)別	特征說(shuō)明
1級(jí)	低碳馬氏體，允許有貝氏體
2級(jí)	低碳馬氏體加不明顯的游離鐵素體，允許有貝氏體
3級(jí)	低碳馬氏體加少量的游離鐵素體，允許有貝氏體
4級(jí)	低碳馬氏體加較多量的游離鐵素體，允許有貝氏體
5級(jí)	低碳馬氏體加多量的游離鐵素體，允許有貝氏體
6級(jí)	低碳馬氏體加大量的游離鐵素體，允許有貝氏體

 

根據(jù)碳化物形態(tài)、數(shù)量、大小及分布情況評(píng)定級(jí)別：

 

表6 碳化物的級(jí)別評(píng)定

 

級(jí)別	特征說(shuō)明
	網(wǎng)系	粒塊系
1級(jí)	無(wú)或極少量細(xì)粒狀碳化物
2級(jí)	細(xì)粒狀碳化物加趨網(wǎng)狀分布的細(xì)小碳化物	細(xì)粒狀碳化物加稍粗的粒狀碳化物
3級(jí)	細(xì)粒狀碳化物加呈斷續(xù)網(wǎng)狀分布的小塊狀碳化物	細(xì)粒狀碳化物加較粗的碳化物
4級(jí)	細(xì)粒狀碳化物加呈斷續(xù)網(wǎng)狀分布的塊狀碳化物	細(xì)粒狀碳化物加粗塊的碳化物
5級(jí)	細(xì)粒狀碳化物加網(wǎng)狀分布的細(xì)條狀、塊狀碳化物	細(xì)顆粒狀碳化物加角塊狀碳化物
6級(jí)	顆粒狀碳化物加網(wǎng)狀分布的塊狀碳化物	顆粒狀碳化物加大量粗大角塊狀碳化物

 

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(cè)定》的具體規(guī)定進(jìn)行檢驗(yàn)，可用顯微組織測(cè)量法和顯微硬度測(cè)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(shì)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(huì)影響滲層的淬透性，對(duì)多數(shù)齒輪用鋼而言，在含碳量為0.8~0.9%時(shí)，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(jí)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(guò)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。

 

（1）JB/T6141.4-1992《重載齒輪 滲碳表面含碳量金相判別法》中規(guī)定了重載齒輪滲碳表面碳含量金相檢驗(yàn)的方法。

 

   （2） JB/T6141.2-1992《重載齒輪 滲碳質(zhì)量檢驗(yàn)》規(guī)定了表面硬度、心部硬度與有效硬化層深度檢驗(yàn)

 

   （3） JB/T6141.3-1992《重載齒輪 滲碳金相檢驗(yàn)》規(guī)定了重載齒輪滲碳、淬火、回火金相檢驗(yàn)的技術(shù)要求和評(píng)定級(jí)別。