滲碳零件的質(zhì)量檢驗(yàn)及缺陷預(yù)防

摘 要：滲碳化學(xué)熱處理工藝是通過(guò)改變零件表面化學(xué)成分及顯微組織，使得零件表面具有高硬度、高耐磨性、高接觸疲勞強(qiáng)度，心部應(yīng)具有良好的綜合力學(xué)性能。文章結(jié)合滲碳零件宏觀質(zhì)量檢驗(yàn)及微觀質(zhì)量檢驗(yàn)的基本內(nèi)容，論述了滲碳零件的熱處理缺陷產(chǎn)生的原因及不同缺陷的解決措施。

關(guān)鍵詞：滲碳零件；質(zhì)量檢驗(yàn)；解決措施

1 概述

在現(xiàn)代工業(yè)中，齒輪、凸輪及其他磨損件承受了一定的摩擦力、交變彎曲應(yīng)力、接觸疲勞應(yīng)力、一定的沖擊力。失效形式有過(guò)量磨損，表面剝落、斷裂等。所以要求表面具有高硬度、高的接觸疲勞抗力和良好的耐磨性，而心部有一定的塑韌性[1]。通過(guò)改變這些零件表面化學(xué)成分及顯微組織的滲碳、滲氮、滲硼等化學(xué)熱處理工藝，使得零件表面具有高硬度、高耐磨性、高接觸疲勞，心部應(yīng)具有良好的綜合力學(xué)性能[2]。滲碳鋼碳含量為0.12%～0.25%（質(zhì)量），錳、鉻、鎳的作用是提高滲碳鋼的淬透性，淬火時(shí)心部能獲得大量的板條馬氏體組織。鈦、釩、鎢、鉬等能細(xì)化晶粒。錳、鉻、鎳等元素還能改善滲碳層性能。滲碳層性能有表層含碳量、表層濃度梯度和滲碳層深度。表層含碳量0.80%～1.05%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），碳的濃度梯度宜平緩過(guò)渡，以免性能變化太大，增大內(nèi)應(yīng)力。鉻、錳、鉬有利于滲碳層增厚，而鈦、釩減小滲碳層厚度。鎳、硅等元素不利于滲碳層增厚，一般滲碳鋼中不用硅合金化。鋼中碳化物形成元素含量過(guò)高，在滲碳層中產(chǎn)生塊狀碳化物，造成表面脆性，所以碳化物和非碳化物形成元素含量要適當(dāng)。滲碳零件由于表面化學(xué)成分及顯微組織都發(fā)生變化，加之要進(jìn)行淬火及回火熱處理工藝，所以常產(chǎn)生熱處理缺陷，降低零件的彎曲強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度及耐磨性能。因此，加強(qiáng)滲碳零件的質(zhì)量檢驗(yàn)及缺陷預(yù)防，對(duì)于提高力學(xué)性能、延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命、節(jié)約材料、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展具有實(shí)際意義[3]。

2 滲碳零件的質(zhì)量檢驗(yàn)內(nèi)容

2.1 滲碳零件的外觀及硬度檢驗(yàn)

滲碳零件的外觀檢驗(yàn)屬于宏觀檢驗(yàn)方法，主要有滲碳零件表面的無(wú)氧化檢驗(yàn)、銹蝕檢驗(yàn)、剝落檢驗(yàn)、機(jī)械碰傷檢驗(yàn)、表面裂紋檢驗(yàn)等。滲碳零件的硬度檢驗(yàn)一般在淬火、回火熱處理后進(jìn)行檢驗(yàn)，零件的表面硬度、心部硬度及非滲碳區(qū)硬度應(yīng)符合滲碳零件的技術(shù)條件要求。對(duì)滲碳齒輪，JB/T7516-1994《齒輪氣體滲碳熱處理工藝及其質(zhì)量控制》規(guī)定表面硬度以分度圓處齒面為準(zhǔn)，心部硬度的檢測(cè)部位為齒根圓與輪齒中心線相交處。滲碳零件的抽檢率按規(guī)定執(zhí)行，硬度不合格時(shí)，應(yīng)加倍抽檢，仍不合格則視情況進(jìn)行返修或報(bào)廢。

2.2 滲碳零件的滲碳層深度檢驗(yàn)

不同尺寸、不同形狀的滲碳零件，常用有相應(yīng)的滲碳層深度技術(shù)條件要求，檢驗(yàn)滲碳層深度的方法主要有以下四種方法。一是斷口目測(cè)法。該方法是將滲碳工件淬火熱處理后打斷，觀察滲碳層區(qū)域斷口形貌。滲碳層呈白瓷狀，中心未滲碳部分呈灰色纖維狀，交界處碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.4%。生產(chǎn)試驗(yàn)中有時(shí)為了更好地分辨滲碳層深度，先從滲碳零件取樣，再將試樣磨平、拋光，用4%硝酸酒精溶液浸蝕，由于滲碳層與零件心部顯微組織不同，顯示出深灰色的滲碳層，然后用帶刻度的放大鏡測(cè)量滲碳層的深度。二是金相測(cè)量法。該方法是將滲碳層緩冷后的試樣經(jīng)磨制、腐蝕后，在顯微鏡下測(cè)定。碳鋼的滲碳層深度是從表面垂直量至1/2過(guò)渡區(qū)，該處碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.4%，其滲碳層包括過(guò)共析層+共析層+1/2過(guò)渡區(qū)，一般要求過(guò)共析層與共析層之和應(yīng)占75%以上。合金鋼滲碳層深度是從表面垂直量至出現(xiàn)心部原始組織為止，包括過(guò)共析層+共析層+過(guò)渡區(qū)全部，并要求過(guò)共析層與共析層之和應(yīng)占總層深的50%以上。三是硬度測(cè)量法。根據(jù)GB/T9450-2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測(cè)定和校核》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，硬化層深度是指滲碳工件（或采用與工件尺寸、形狀等相近的試樣）經(jīng)淬火、回火后，自表面到維氏硬度為HV處的垂直距離。測(cè)定硬度所采用的試驗(yàn)力為9.807N（1kgf）。硬化層深度代表的是真正硬化了的層深，具有重要實(shí)際意義，比金相法更貼近實(shí)際。國(guó)際上許多工業(yè)先進(jìn)國(guó)家都采用此法。四是剝層化學(xué)分析法。將直徑20mm×120mm圓柱試樣滲碳后緩冷，由表及里逐層車削，并進(jìn)行化學(xué)分析，繪出碳含量梯度分度曲線，據(jù)此確定滲碳層深度及表面含碳量。此法精確可靠，但取樣和分析較麻煩，在生產(chǎn)中很少采用，多用于滲碳新工藝研究和實(shí)驗(yàn)新滲碳鋼種。

2.3 滲碳零件的滲碳層金相組織檢驗(yàn)

滲碳零件的滲碳層金相組織檢驗(yàn)是通過(guò)金相顯微鏡檢驗(yàn)，一般在淬火、回火后進(jìn)行，按有關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)。齒輪件的檢測(cè)通常參照QC/T262-1999《汽車滲碳齒輪金相檢驗(yàn)》，該標(biāo)準(zhǔn)要求在顯微鏡下放大400倍進(jìn)行評(píng)定、檢驗(yàn)。金相組織檢驗(yàn)項(xiàng)目包括滲碳層碳化物大小、數(shù)量和分布，滲碳層馬氏體針的大小及殘留奧氏體數(shù)量多少，心部游離鐵素體的大小和數(shù)量等[4]。滲碳零件的滲碳層金相組織檢驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)不同尺寸和形狀的零件，合格對(duì)應(yīng)的檢驗(yàn)級(jí)別稍有區(qū)別，具體按有關(guān)零件及行業(yè)的技術(shù)要求執(zhí)行。所用試樣為隨爐，且齒形或其他符合規(guī)定形狀的試樣。

2.4 滲碳零件的裂紋及畸變檢驗(yàn)

滲碳零件的裂紋是最嚴(yán)重的缺陷形式，可靠性要求高的齒輪在熱處理和磨齒后進(jìn)行檢驗(yàn)，必須進(jìn)行100%檢驗(yàn)；一般齒輪進(jìn)行抽檢。檢驗(yàn)方法有磁粉探傷、超聲波探傷、金相法等。滲碳零件的畸變主要是在熱處理過(guò)程中組織應(yīng)力及熱應(yīng)力造成的，不同的零件按照?qǐng)D樣技術(shù)要求進(jìn)行檢驗(yàn)。

3 滲碳零件熱處理缺陷及解決措施

3.1 滲碳零件滲碳層金相組織缺陷及預(yù)防措施

滲碳零件滲碳層金相組織缺陷主要有表面大塊狀或網(wǎng)狀碳化物、表面脫碳、表面大量殘留奧氏體、表面非馬氏體組織、心部鐵素體多等。對(duì)于表面大塊狀或網(wǎng)狀碳化物缺陷，解決措施是在降低氣氛碳勢(shì)下延長(zhǎng)保溫時(shí)間，重新淬火，或者高溫加熱擴(kuò)散后再淬火[5]。對(duì)于表面脫碳缺陷，解決措施是在濃度合格的介質(zhì)中補(bǔ)滲，或者噴丸處理（脫碳層≤0.02mm時(shí)）。對(duì)于表面大量殘留奧氏體缺陷，解決措施是冷處理，或者高溫回火后重新加熱淬火。對(duì)于表面非馬氏體組織缺陷，解決措施是噴丸處理（非馬氏體≤0.02mm時(shí)），或者重新加熱淬火，加快冷卻速度。對(duì)于心部鐵素體多缺陷，解決措施是按正常工藝重新加熱淬火。

3.2 滲碳零件滲層深度不夠或滲碳層深度不均勻

當(dāng)滲碳零件滲層深度不夠時(shí)，主要是爐溫低于儀表指示溫度、滲碳劑活性低、滲碳時(shí)間不足、爐子漏氣、裝爐量過(guò)多、工件表面有氧化皮等因素造成，解決措施是補(bǔ)滲。或滲碳層深度不均勻時(shí)，主要是爐溫不均勻、爐內(nèi)氣氛循環(huán)不良、炭黑在工件表面沉積過(guò)多、固體滲碳時(shí)滲碳箱內(nèi)溫差大、催滲劑分布不均勻、裝爐不當(dāng)，解決措施是做到爐溫、爐氣均勻、盡可能減少炭黑成績(jī)，催滲劑分布均勻裝爐合理。

3.3 滲碳零件滲層表面硬度低缺陷及預(yù)防措施

滲碳零件滲層深度表面硬度低主要是表面含碳量低表面脫碳，殘留奧氏體過(guò)多或表面形成托氏體組織。解決措施是碳含量低的可補(bǔ)滲，或者殘留奧氏體多者按前面方法返修。

3.4 滲碳零件滲碳后畸變及滲碳件開(kāi)裂及預(yù)防措施

滲碳零件滲碳后畸變主要是夾具選擇及裝爐方法不當(dāng)，工件自重產(chǎn)生畸變，工件厚薄不均勻，在加熱冷卻過(guò)程中因熱應(yīng)力和組織應(yīng)力導(dǎo)致畸變。解決措施是合理調(diào)裝工件，對(duì)易變形件采用壓力機(jī)淬火或采用熱校。滲碳件開(kāi)裂主要是滲碳后空冷時(shí)滲碳組織轉(zhuǎn)變不均勻。此外，如果表面有薄的脫碳層也易導(dǎo)致開(kāi)裂。解決措施是減慢冷卻，使?jié)B碳層全部發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，或加快冷卻，使工件表面得到馬氏體加殘留奧氏體。

參考文獻(xiàn)

[1]王學(xué)武.金屬表面處理技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[2]張博.金相檢驗(yàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3]蔡九菊.中國(guó)鋼鐵工業(yè)能源資源節(jié)約技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)[J].世界鋼鐵，2009（4）：1-12.

[4]解念鎖，楊仁山，王瑾.含碳量對(duì)高速鋼淬火過(guò)熱過(guò)燒組織形態(tài)的影響[J].陜西工學(xué)院學(xué)報(bào)，1996，12（1）：8-12.

[5]解念鎖，陳尚平，賀志榮.奧氏體化溫度對(duì)鋼中馬氏體組織形態(tài)的影響[J].陜西工學(xué)院學(xué)報(bào)，1996，12（2）：8-12.

作者簡(jiǎn)介：陳元龍（1979-），男，碩士學(xué)位，貴州遵義人，講師，研究方向：材料與建筑工程。