淺談機床滲碳件滲層深度與性能

代友貴 苗志博 畢曉旭

1. 前言

在機床零件中，滲碳件占有相當的比例，特別是齒輪、軸、套類等零件。滲碳質量直接影響機床的精度和壽命，而滲層的表層碳含量，滲層深度，滲碳淬火回火后的硬度以及表層與心部組織，則是衡量滲碳件性能的重要指標。根據這些指標的測定，選出最合適的滲層深度，最優化的工藝。

1. 備料及制樣

2.1制樣分組

根據我廠具體情況，本試驗選鋼為20Cr。20Cr鋼的化學成分（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）。

經過對滲碳件滲層深度要求的統計，篩選出具有代表性的三個滲層范圍，并將試樣分組，編號分別為A、B、C。A組：滲層深度為0.6-0.8mm，B組：滲層深度為0.9-1.3mm，C組：滲層深度為1.3-1.7mm。

2.2試樣種類尺寸及數量，并打上相應編號

金相試樣：φ12X30?? 每樣號3件，共9件

硬度試樣：φ20X12?? 每樣號3件，共9件

沖擊試樣：10X10X55? 每樣號3件，共9件

3.熱處理階段

3.1滲碳工藝

由于碳在鐵素體中的溶解度較小，而在奧氏體中的溶解度較大，所以滲碳必須在Ac3以上的溫度，使鋼在奧氏體狀態下進行。滲碳溫度越高，滲碳層越深。但過高的滲碳溫度將導致晶粒粗化，表層碳濃度過高而形成網狀碳化物，并在淬火后形成大量殘余奧氏體，增加了淬火后的變形、開裂傾向。因此，選擇適合的滲碳溫度尤為重要。選擇滲碳溫度為920℃。根據A、B、C的三個滲層深度，滲劑為煤油，滲碳時間分別為3-5h;5-8h;8-11h。滲碳工藝如下：

組別A，滲碳溫度920℃，時間3h，爐冷至840℃坑冷。

組別B，滲碳溫度920℃，時間7h，爐冷至840℃坑冷。

組別C，滲碳溫度920℃，時間10h，爐冷至840℃坑冷。

3.2淬火、回火工藝

為使滲碳件具有表面高硬度，高耐磨性和良好的心部韌性，滲碳件在滲碳后必須進行恰當的淬火、回火才能達到要求。淬火工藝（中溫鹽浴爐加熱800-830℃，淬火保溫時間9-11分鐘，油中冷卻）。回火工藝（電爐加熱160-180℃， 90-120分鐘保溫，空冷）。

4.試驗內容和方法

滲層深度：利用金相試樣來測量，取三組的平均值。

滲碳層總深度δ總=過共析層δ過+共析層δ共+50%過渡區δ半。

表面硬度：用洛氏硬度計，取三組的平均值。

組織：心部晶粒度等級。

沖擊韌性：沖擊試驗，取三組的平均值。

5.試驗結果

表1? 試驗結果（）

A

B

C

滲層深度

（mm）

б總

б過

б過

б半

б總

б過

б過

б半

б總

б過

б過

б半

0.60

—

0.32

0.28

0.94

0.33

0.28

0.33

1.28

0.34

0.59

0.35

表層碳濃度

0.8%

1.0%

1.05%

表層硬度

63.5 HRC

64 HRC

64 HRC

心部組織

過渡區粗大

過渡區粗大

過渡粗大

沖擊韌性

16.5

12.2

9.6

6.滲碳基本原理及過程

滲碳基本原理及過程如下：

（1）滲劑中的反應

①是由介質（甲醇、煤油、異丙醇）分解出活性原子。如分解產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內部擴散。

（2）滲劑中的擴散。滲劑向零件表面擴散，然后相界面反應產物從界面逸散。

（3）相界面反應。入元素的活性原子或分子吸附在零件表面并發生反應，如：2CO+Fe≒Fe【C】+ CO2。吸附的【C】可進一步進入到鐵的晶格中。

（4）金屬中的擴散。由于表面-心部濃度梯度而使碳原子從零件表面向內部擴散。

（5）金屬中的反應。奧氏體中碳濃度升高，二次Fe3 C的析出（冷卻時）。

7.結果分析

由試驗得出，滲碳時間分別為3h、7h、10h，滲層深度分別為0.6mm、0.94mm、1.28mm。深層深度隨滲碳時間的延長而呈增加的趨勢。從7小時延長到10小時時，表層碳含量僅僅變化了0.05mm，而不是3小時到7小時的0.2mm。

滲碳件淬火后的硬度即淬火馬氏體的硬度，其取決于滲碳件的表層碳含量。因此，當表面碳濃度變化不大時，滲碳件淬火后的硬度也無明顯變化。

馬氏體的韌性主要取決于它的亞結構，低碳的位錯型馬氏體具有良好的韌性，而高碳的的孿晶馬氏體則韌性較差。根據資料，當碳含量為0.3-1.0%時為混合型馬氏體，小于0.3%時為位錯型，大于1.0%時為孿晶型。在我們的試驗中，由A?? B?? C，碳含量逐漸增高。因此，孿晶馬氏體逐漸占主導地位，使得零件的沖擊韌性逐漸下降。

綜上，隨著滲碳時間的延長，滲層加深。當滲碳進行到一定時間后，表面碳濃度和零件淬火后的硬度并未隨著時間的進一步延長而有顯著變化，而沖擊韌性卻逐漸下降。因而建議：在一般零件滲碳時，無重載、高負荷等特殊滲層的使用要求時，應優先選用中間的滲層（即0.9mm）。這樣，既保證了一定的耐磨性和綜合機械性能，即滲層深度、硬度和韌性等使用要求，又能節約能源，縮短生產周期，提高效率。