滲碳零件的質量檢驗及缺陷預防

摘 要：滲碳化學熱處理工藝是通過改變零件表面化學成分及顯微組織，使得零件表面具有高硬度、高耐磨性、高接觸疲勞強度，心部應具有良好的綜合力學性能。文章結合滲碳零件宏觀質量檢驗及微觀質量檢驗的基本內容，論述了滲碳零件的熱處理缺陷產生的原因及不同缺陷的解決措施。

關鍵詞：滲碳零件；質量檢驗；解決措施

1 概述

在現代工業中，齒輪、凸輪及其他磨損件承受了一定的摩擦力、交變彎曲應力、接觸疲勞應力、一定的沖擊力。失效形式有過量磨損，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]。通過改變這些零件表面化學成分及顯微組織的滲碳、滲氮、滲硼等化學熱處理工藝，使得零件表面具有高硬度、高耐磨性、高接觸疲勞，心部應具有良好的綜合力學性能[2]。滲碳鋼碳含量為0.12%～0.25%（質量），錳、鉻、鎳的作用是提高滲碳鋼的淬透性，淬火時心部能獲得大量的板條馬氏體組織。鈦、釩、鎢、鉬等能細化晶粒。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%（質量分數），碳的濃度梯度宜平緩過渡，以免性能變化太大，增大內應力。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高，在滲碳層中產生塊狀碳化物，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。滲碳零件由于表面化學成分及顯微組織都發生變化，加之要進行淬火及回火熱處理工藝，所以常產生熱處理缺陷，降低零件的彎曲強度、疲勞強度及耐磨性能。因此，加強滲碳零件的質量檢驗及缺陷預防，對于提高力學性能、延長產品壽命、節約材料、促進可持續發展具有實際意義[3]。

2 滲碳零件的質量檢驗內容

2.1 滲碳零件的外觀及硬度檢驗

滲碳零件的外觀檢驗屬于宏觀檢驗方法，主要有滲碳零件表面的無氧化檢驗、銹蝕檢驗、剝落檢驗、機械碰傷檢驗、表面裂紋檢驗等。滲碳零件的硬度檢驗一般在淬火、回火熱處理后進行檢驗，零件的表面硬度、心部硬度及非滲碳區硬度應符合滲碳零件的技術條件要求。對滲碳齒輪，JB/T7516-1994《齒輪氣體滲碳熱處理工藝及其質量控制》規定表面硬度以分度圓處齒面為準，心部硬度的檢測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定執行，硬度不合格時，應加倍抽檢，仍不合格則視情況進行返修或報廢。

2.2 滲碳零件的滲碳層深度檢驗

不同尺寸、不同形狀的滲碳零件，常用有相應的滲碳層深度技術條件要求，檢驗滲碳層深度的方法主要有以下四種方法。一是斷口目測法。該方法是將滲碳工件淬火熱處理后打斷，觀察滲碳層區域斷口形貌。滲碳層呈白瓷狀，中心未滲碳部分呈灰色纖維狀，交界處碳的質量分數約為0.4%。生產試驗中有時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量滲碳層的深度。二是金相測量法。該方法是將滲碳層緩冷后的試樣經磨制、腐蝕后，在顯微鏡下測定。碳鋼的滲碳層深度是從表面垂直量至1/2過渡區，該處碳的質量分數約為0.4%，其滲碳層包括過共析層+共析層+1/2過渡區，一般要求過共析層與共析層之和應占75%以上。合金鋼滲碳層深度是從表面垂直量至出現心部原始組織為止，包括過共析層+共析層+過渡區全部，并要求過共析層與共析層之和應占總層深的50%以上。三是硬度測量法。根據GB/T9450-2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》標準進行測量。該標準規定，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）經淬火、回火后，自表面到維氏硬度為HV處的垂直距離。測定硬度所采用的試驗力為9.807N（1kgf）。硬化層深度代表的是真正硬化了的層深，具有重要實際意義，比金相法更貼近實際。國際上許多工業先進國家都采用此法。四是剝層化學分析法。將直徑20mm×120mm圓柱試樣滲碳后緩冷，由表及里逐層車削，并進行化學分析，繪出碳含量梯度分度曲線，據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，在生產中很少采用，多用于滲碳新工藝研究和實驗新滲碳鋼種。

2.3 滲碳零件的滲碳層金相組織檢驗

滲碳零件的滲碳層金相組織檢驗是通過金相顯微鏡檢驗，一般在淬火、回火后進行，按有關行業標準進行檢驗。齒輪件的檢測通常參照QC/T262-1999《汽車滲碳齒輪金相檢驗》，該標準要求在顯微鏡下放大400倍進行評定、檢驗。金相組織檢驗項目包括滲碳層碳化物大小、數量和分布，滲碳層馬氏體針的大小及殘留奧氏體數量多少，心部游離鐵素體的大小和數量等[4]。滲碳零件的滲碳層金相組織檢驗項目，對不同尺寸和形狀的零件，合格對應的檢驗級別稍有區別，具體按有關零件及行業的技術要求執行。所用試樣為隨爐，且齒形或其他符合規定形狀的試樣。

2.4 滲碳零件的裂紋及畸變檢驗

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

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。對于表面大塊狀或網狀碳化物缺陷，解決措施是在降低氣氛碳勢下延長保溫時間，重新淬火，或者高溫加熱擴散后再淬火[5]。對于表面脫碳缺陷，解決措施是在濃度合格的介質中補滲，或者噴丸處理（脫碳層≤0.02mm時）。對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），或者重新加熱淬火，加快冷卻速度。對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

當滲碳零件滲層深度不夠時，主要是爐溫低于儀表指示溫度、滲碳劑活性低、滲碳時間不足、爐子漏氣、裝爐量過多、工件表面有氧化皮等因素造成，解決措施是補滲。或滲碳層深度不均勻時，主要是爐溫不均勻、爐內氣氛循環不良、炭黑在工件表面沉積過多、固體滲碳時滲碳箱內溫差大、催滲劑分布不均勻、裝爐不當，解決措施是做到爐溫、爐氣均勻、盡可能減少炭黑成績，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，殘留奧氏體過多或表面形成托氏體組織。解決措施是碳含量低的可補滲，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裂及預防措施

滲碳零件滲碳后畸變主要是夾具選擇及裝爐方法不當，工件自重產生畸變，工件厚薄不均勻，在加熱冷卻過程中因熱應力和組織應力導致畸變。解決措施是合理調裝工件，對易變形件采用壓力機淬火或采用熱校。滲碳件開裂主要是滲碳后空冷時滲碳組織轉變不均勻。此外，如果表面有薄的脫碳層也易導致開裂。解決措施是減慢冷卻，使滲碳層全部發生共析轉變，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

[1]王學武.金屬表面處理技術[M].北京：機械工業出版社，2014.

[2]張博.金相檢驗[M].北京：機械工業出版社，2010.

[3]蔡九菊.中國鋼鐵工業能源資源節約技術及其發展趨勢[J].世界鋼鐵，2009（4）：1-12.

[4]解念鎖，楊仁山，王瑾.含碳量對高速鋼淬火過熱過燒組織形態的影響[J].陜西工學院學報，1996，12（1）：8-12.

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

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