滲碳淬火中常見缺陷及預防措施

導語

滲碳淬火其實是一個復合工藝，即滲碳+淬火。我們常習慣把兩者連起來講，因為兩個工藝在同一臺設備上完成是生產中最常遇到的，（但也有滲碳空冷、滲碳緩冷然后重新加熱淬火的工藝、二次淬火工藝）那么生產中遇到的一些不良現象有些是滲碳的問題、有些是淬火的問題、有些又是滲碳淬火兩者綜合影響的結果。

我們知道所有熱處理工藝都離不開三個核心問題：加熱、保溫、冷卻。細說包括加熱溫度、加熱速度、保溫時間、冷卻速度，當然還有氣氛問題。所以一旦出問題我們就會習慣性地從這些方面去分析原因。

滲碳淬火我們常會檢測這些指標：產品表面外觀、表面硬度、心部硬度、滲碳層深度、（有效硬化層深、全硬化層深）金相組織、變形情況。下面分別從這些指標上分享一下看法。

一、外觀問題

1.氧化皮：這個主要是因為設備漏氣、載氣不純、或含水。需要從設備和原輔料上找原因。

2.另外一個最頭疼的問題是色斑問題，這也是近代對熱處理提出的具有挑戰性的新要求，原因錯綜復雜，非常深奧。

二、硬度不合格

1、硬度偏高（不討論）

2、硬度偏低：分為兩種情況，一種是滲碳不合格。原因可能是滲碳層偏淺沒達到圖紙要求，（滲碳沒滲上）或所選用檢測標尺超出現有滲碳層承受范圍，將滲碳層擊穿。解決方法：補滲、檢測標尺按照。JBT 6050-2006<鋼鐵零件熱處理硬度檢驗通則>滲碳層深度其實是溫度、時間、碳勢的函數。從上面幾要素來看，可以考慮提高加熱溫度、延長保溫時間、提高滲碳碳勢的方法去處理。（當然各參數的調整要充分結合自身的設備和產品的要求）也可能是因為表面有非馬組織的存在同樣會出現這樣的情況。

硬度偏低還會出現另一種情況，即滲碳合格，但淬火不合格，通俗地講是沒淬上火。這種情況是最復雜的，常言道：熱處理三分靠的是加熱，而七分靠的是冷卻。也體現出冷卻過程在熱處理工藝中占的地位。下面是我設計的一個對比試驗，大家可以一起討論一下冷卻對硬度 的影響。取3組不同材料但規格尺寸完全相同的試棒，其尺寸為Φ20mmX100mm。（ 我們稱20號鋼試棒為1號、20Cr試棒為2號、20CrMnTi為3號試棒）試棒在同一爐次用同種工藝完成滲碳。假設三只試棒滲碳層深度都在0.6-0.7mm的前提下（ps:假設只是建立在理想狀態下）。請思考如下條件下:

a.在同樣的條件下完成淬火。

b.淬火介質為 慢油、快油、清水、鹽水。

c.同種介質中不攪拌與強烈攪拌淬火同樣這三個試棒各取兩組進行試驗。

完成滲碳后，A組采用800度淬火，B組采用860度淬火。他們的硬度從高到低的順序是怎樣？硬化層（以550HV1.0為界限）從深到淺又如何排序拿同種材料的兩只試棒對比測試，哪一組可以獲得更高的淬火硬度及有效硬化層深度呢？從上述試驗結果是否可得出：滲碳層深度不等同于有效硬化層深度、實際淬硬層深度受材料淬透性、淬火溫度、冷卻速度的影響。冷卻介質的冷卻特性、淬火烈度同樣影響淬火效果。以上是人的看法，如有不完整的大家可以補充。當然還有零件的尺寸效應同樣影響淬硬效果。我認為一位有經驗的金相檢驗員可以通過金相組織結合其它檢測手段來判定硬度偏低的真正原因，然后找到真因予以解決;做為一名工藝制訂者，如果能熟悉常規金屬原材料的特性、對自身設備、介質冷卻性能都達到一定認知水平，對制訂滲碳淬火工藝是有很大幫助的。   

3、硬度不均勻：爐溫均勻（影響滲碳均勻性）、設備結構、氣氛循環、裝爐量、（影響滲層均勻性，同時影響淬火均勻性）

4、芯部硬度不合格。

偏高：淬火溫度偏高，材料淬透性太好，碳及合金成份上限、介質冷卻速度過快。 

硬度偏低：正好與之相反。實例分享：20號鋼1.5mm 的產品，要求：滲層0.2-0.4mm  芯部HV250有同行朋友認為要求不合理，（大家應該都知道，20號鋼板條馬氏體的最高硬度會在HV450-470左右）要解決這個問題首先得清楚這種材料的特性：包括淬透性和淬硬性。然后結合上面提到的影響淬火效果的幾大因素，在加熱和冷卻上想辦法。在本案例中材料是固定的，我們可以從淬火溫度和冷卻速度上想出辦法，這個廠家剛好用的是超速油，如果降低淬火烈度也達不到要求的話，我們還可以從降低淬火溫度想辦法。還是那句話，從860-760度，（將溫度降下來，降到一定程度時，芯部的過冷奧奧氏體就會析出一定量的鐵素體，此時硬度就會有所下降，溫度降低越多，析出鐵素體的量越多，硬度下降就越多。在此提示一下：要充分結合設備現有的狀況，和淺滲層這個特殊的有利指標做文章。

三、滲層或有效硬化層偏深、偏淺

前面提到，滲層深度是溫度、時間、碳濃度的綜合函數。要想解決這個問題還得從加熱溫度、加熱速度、保溫時間、冷卻速度、控制碳層中的碳濃度梯度上著手。溫度越高、時間越長、碳勢越高滲層越深，反之亦然。但實際上遠遠不止這么簡單，設計一個滲碳工藝，還得綜合考慮設備、裝爐量、油品特性、金相組織、材料淬透性、滲碳層中的碳濃度梯度與冷卻速度搭配等多方面的因素。這個可參考前面硬度偏低的情況來分析，不再深入講解。

四、金相組織

馬氏體超標：原材料晶粒粗大、或未正火、滲碳溫度過高。解決方法：正火或多次正火，（ 建議正火溫度高于滲碳溫度20-30度）如有條件可考慮滲碳緩冷后重新加熱淬火。

殘奧超標：淬火溫度過高、奧氏體里含碳量過高（碳勢過高）。解決方法：充分擴散、條件允許可降低淬火溫度、高溫回火重新加熱淬火、或深冷處理。

碳化物超標：奧氏體里含碳量過高（碳勢過高）、降溫過程太慢碳化物析出。 

解決方法：充分擴散、控制降溫速度、條件允許的減少滲碳和淬火溫差，盡量少用低溫或亞溫淬火、如果一定要用此工藝時得控制裝爐量。大家試想一下：同樣設備用920度滲碳820度淬火，裝爐量為1000kg和600kg ，降溫速度一樣嗎？需要時間哪個更長？哪個碳化物級別更高？ 

五、非馬及內氧化

內氧化：就是鋼中的鉻錳鉬等合金元素與氣氛中的氧化性氣氛（主要是氧氣、水份、二氧化碳）發生反應，使基體中合金元素貧化，導致材料淬透性下降。顯微鏡下可以看到黑色的網狀組織，其實質是基體中的合金元素貧化導致淬透性下降得到的屈氏體組織。

解決辦法是想辦法提高介質冷卻速度、增強淬火烈度、減少爐內的氧化性氣氛（保證滲碳原輔材料的純度，盡量減少平衡空氣的量、控制平衡空氣含水量、保證設備不漏氣、排氣充分）常規設備很難消除，據說低壓真空滲碳設備可以完全消除，因為實際沒接觸過所以不好發表意見。另外，強力噴丸也可以降低內氧化等級。參閱過一些專家的觀點，有些認為，在碳氮共滲中通入過量的氨氣也會產生嚴重非馬。對此我個人有不一樣的看法：或許是因為氨氣里含水超標引起？因為手頭接觸過很多碳氮共滲工藝，檢查產品時未發現明顯非馬組織。（但我不認為這個觀點是錯誤的）國外一些機械行業對內氧化非常重視，特別是齒輪行業。國內一般求其深度不大于0.02mm為合格。

非馬：滲碳層出現的因滲碳或淬火問題引起的淬火以后表面出現非馬馬氏體組織，如：鐵素體、貝氏體、當然也包括內氧化類型的屈氏體。其產生機理和內氧化相似，解決方法也差不多。  

六、變形問題

這是一個系統問題，也是我們從事熱處理的工作人員最頭疼的問題。從原材料工藝冷卻介質幾個方面來保障。以上內容僅為個人經驗之談，如有不嚴謹之處，歡迎大家指正，謝謝。

（來源：熱加工論壇）