準(zhǔn)貝氏體鋼的滲碳特性及滲碳工藝

1、準(zhǔn)貝氏體鋼的滲碳特性及滲碳工藝賀自強(qiáng)1，程巨強(qiáng)2，揚(yáng)廷清2，康沫狂2 (1北京福田建材機(jī)械有限責(zé)任公司，北京101117； 2西北工業(yè)大學(xué)，西安710072)摘要本文對比研究了si一一Mo系準(zhǔn)貝氏體鋼和18Cr2Ni411lA錒的溶碳特性和滲碳工藝結(jié)果表明 準(zhǔn)貝氏體鋼具有較好的滲碳特性，尤其是優(yōu)越的空冷淬硬性，并確定了準(zhǔn)貝氏體銅的滲碳工藝。 關(guān)鍵詞準(zhǔn)貝氏體鋼滲碳特性滲碳工藝1引言自Davenport和Bain“在鋼中發(fā)現(xiàn)貝氏體以來，經(jīng)過半個多世紀(jì)的研究，在貝 氏體相變理論及貝氏體鋼的開發(fā)應(yīng)用方面取得了很大進(jìn)展”“，各種貝氏體鋼相繼研 制成功并應(yīng)用于實際生產(chǎn)?？的窠淌谔岢隽藢嵸|(zhì)上是低碳馬氏體的

2、貝氏體鐵索體 和殘余奧氏體組成的準(zhǔn)貝氏體組織的概念”。，利用si對貝氏體中碳化物析出的強(qiáng)烈 阻礙作用，研制成功了si_MnMo系準(zhǔn)貝氏體鋼”?，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、工藝性能 和良好的經(jīng)濟(jì)性。含鎳滲碳鋼(12Cr2Ni4A18Cr2Ni4WA，20Cr2Ni4k等)滲碳性能優(yōu) 良，但該類鋼價格昂貴，滲碳工藝復(fù)雜。開發(fā)少鎳或無鎳優(yōu)質(zhì)滲碳鋼是急待解決的 一大問題。目前，國內(nèi)外所研制的各類貝氏體鋼，大都在正火或正火+回火狀態(tài)下使 用，而將貝氏體鋼用于化學(xué)熱處理領(lǐng)域的研究為數(shù)尚少。因此本文以siMnMo系 準(zhǔn)貝氏體鋼為例，通過與18Cr2Ni4WA相比較，對貝琵體鋼的滲碳特性和滲碳工藝進(jìn) 行研究為貝氏體

3、鋼開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。2試驗材料及試驗方法21試驗材料選用研制的準(zhǔn)貝氏體鋼(1號、2號、3號、4號)及18Cr2Ni4WA鋼(5號)見表I。 22試樣及熱處理將原材料改鍛成中25的圓棒，經(jīng)700。C，3h退火。剝層化學(xué)分析試樣尺 寸為020 x120ram，試樣經(jīng)920，4h滲碳后快速出爐油冷，然后經(jīng)650C，4h回火 (18Cr2Ni4lYk鋼經(jīng)650C，4h二次回火)以降低硬度。準(zhǔn)貝氏體鋼試樣經(jīng)“920C4h滲碳、空冷+180|C2h回火”后測定滲層顯微硬度，18Cr2Ni4WA鋼經(jīng)“920C 4h滲碳、空冷+6504h二次回火+830C40min加熱油淬+1802h回火”后測定 滲層顯微硬

4、度。表1試驗用鋼的化學(xué)成分(wt)編號CSiMnMoCrNiWSP10251080008003l2O171250009003l3O2l169000900354O1320001900355O1802403614942lO990009001223試驗方法用精密車床對滲碳試樣進(jìn)行剝層，剝層深度為015mm層，每個試樣剝層13 次。用CS一344碳硫分析儀測定剝層鐵屑含碳量。用Hxi000顯微硬度計測定 滲層顯微硬度，試驗力為5009f，試驗力保持時間為ISs在Newphot一2型金相 顯微鏡上觀察顯微組織。3試驗結(jié)果及分析3I 滲層碳含量分布及滲層深度準(zhǔn)貝氏體鋼及18Cr2Ni4WA鋼經(jīng)920C，4

5、h滲碳后用剝層化學(xué)分析法測出的滲層碳含量分布曲線如圖l所示。滲層最高碳含量、碳濃度梯度及滲層總深度見表2。一冰Q刪如璐_遐髓至摻層表面g巨離mm圖1滲層碳含量分布曲線表2滲層量高碳含量、碳靠度梯度及滲屠總深度材料123d 5滲層嬙高碟含量()0860770790241，01碳濃度梯度()0620610580100 84滲屢總深度()132l43128O23160注：1)碳濃度梯度指滲層表面碳古量與心部碳含量的差值可見18Cr2Ni4Wh碳含量最高，碳濃度梯度最大，滲層深度亦最大。1、2、3 號準(zhǔn)貝氏體鋼次之，大致處于同一水平，而4號準(zhǔn)她氏體制基本未滲進(jìn)碳。這表明 18Cr2Ni4WA鋼滲碳能力

6、最強(qiáng)：1、2、3號準(zhǔn)貝氏體鋼滲碳能力較好：4號準(zhǔn)貝氏體鋼 滲碳能力最差，不宜滲碳。若不考慮c及其他臺金元素的影響，隨著準(zhǔn)貝氏體鋼中Si含量增加，滲層碳含 量、碳濃度梯度及滲層深度呈減小趨勢。當(dāng)Si含量達(dá)到20時，滲層表面碳含量僅 為024，滲層深度僅為023mm?？梢妔i明顯降低滲層碳濃度及滲層深度，對滲 碳具有阻礙作用。在準(zhǔn)貝氏體鋼中加速滲碳的元素Cr，Mo的含量較低t而阻礙滲 碳的元素sj的含量較高，因而表現(xiàn)為滲層碳含量較低，滲層較淺。32滲碳件表面、心部硬度及滲層硬度分布321滲碳件表面、心部硬度 準(zhǔn)貝氏休鋼及18Cr2Ni4WA鋼滲碳件表面及心部的硬度見表3。表3表面及心部硬度值(HR

7、c)材抖熱處理工藝表面硬度心部硬度束回火58547 8920 x6h津聯(lián)空玲180回火55847 5280倒火53181束匐火6l3422 29206h滲堿空挎lB0回火59341 8280同火56042 I來回J凡B204,t 79206h滲碳，空降180回60 24 72BO回失5645 0920C6h棒碳空摶385I，7豐回J6213D9106h浩碳，空降，6504h二改回失180回火58942 18304嘶i n加熱油垮080_；c回火52 037】可見準(zhǔn)貝氏體鋼具有優(yōu)越的空冷淬硬性，一般滲碳后直接空冷即可淬硬。這 是準(zhǔn)貝氏體鋼不同于一般滲碳鋼的工藝特點(diǎn)。由于準(zhǔn)貝氏體鋼本身具有很高的空

8、冷 淬透性，加之碳元素能有效地增加鍘的淬透性“，故滲碳空冷，滲層和心部即可淬33顯微組織準(zhǔn)貝氏體鋼滲碳空冷后，滲層最外層為高碳馬氏體+殘余奧氏體組織，如圖3。 滲層殘余奧氏體較多，無碳化物析出這是準(zhǔn)貝氏體鋼合金化特點(diǎn)所致，是其不同 于一般滲碳鋼的組織特點(diǎn)。由外向里滲層殘余奧氏體量減小，高碳馬氏體逐漸過 渡為馬氏體與準(zhǔn)貝氏體的混合組織最終轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)貝氏體組織。過渡區(qū)馬氏體+準(zhǔn)貝 氏體+殘余奧氏體組織如圖4心部準(zhǔn)貝氏體組織如圖5。滲層未發(fā)現(xiàn)石墨化及其它 滲碳缺陷。35滲碳工藝由表3知，準(zhǔn)貝氏體銅滲碳空冷后經(jīng)180。C回火，滲層硬度高，但韌性、塑性不 足，而心部準(zhǔn)貝氏體的韌性和屈服強(qiáng)度較低；經(jīng)280U

9、回火后滲層硬度有所降低(仍 保持在55HRC以上)，但塑性、韌性增加，心部組織的強(qiáng)韌性最好 1，二者各有利弊， 應(yīng)結(jié)合具體的服役條件進(jìn)行選擇。對于以彎曲疲勞或以擦傷、微切削型磨損損壞形 式為主的滲碳件可選擇1801C回火甚至不回火。而以滾動接觸疲勞(點(diǎn)蝕)，應(yīng)變疲 勞型磨損損壞為主，或承受較大的沖擊載荷時可選擇280C回火“。準(zhǔn)貝氏體鋼的 滲碳工藝見圖6。圖3高碳馬氏體+奧氏體800圖4馬氏體+準(zhǔn)貝氏體+殘余奧氏體圖5準(zhǔn)貝氏體800X圖6準(zhǔn)貝氏體鋼滲碳工藝透。一方面，準(zhǔn)貝氏體鋼本身合金元素含量較高，將導(dǎo)致滲層殘余奧氏體較多硬 度降低；另一方面，si又抑制了滲層碳含量的過分增長，使殘余奧氏體量保

10、持一定 水平。二者相互作用，使?jié)B層保持合理的碳含量和較高的硬度。1號準(zhǔn)貝氏體鋼滲層 硬度較低是由于其本身Si含量較低所致。由表3可知無論是180還是280回火，準(zhǔn)貝氏體鋼表面硬度降低很少，而 心部硬度基本不變。相反，18Cr2Ni4Wh鋼表面和心部硬度均有較大降低。這是由于 準(zhǔn)貝氏體鋼含有較多量的強(qiáng)烈提高回火抗力韻Si元素 1。322滲層顯微硬度分布準(zhǔn)貝氏體鋼及18Cr2Ni4WA鋼滲碳層顯微硬度分布曲線如圖2所示?？梢?，準(zhǔn)貝 氏體鋼滲層硬度最高值出現(xiàn)在距表面大約03u處。而滲層表面的硬度值則較低。 這是由于準(zhǔn)貝氏體鋼經(jīng)滲碳、空冷后，滲層表面的殘余奧氏體量較多的緣故。由外 向里，殘余奧氏體量逐

11、漸減小，硬度有所回升，因而出現(xiàn)硬度的峰值。與18Cr2Ni4WA相比，準(zhǔn)貝氏體鋼滲層過渡區(qū)硬度降幅較大，這是由于其滲層較 淺的緣故。當(dāng)潘層深度增大時，可得到平緩的過渡區(qū)。3 3晶粒度根據(jù)GB金屬平均晶粒度測定法測定920C，6h滲碳后的鋼的奧氏體晶粒度t 見表5?？梢姕?zhǔn)貝氏體鋼滲碳后，晶粒尺寸與18Cr2Ni4WA銅基本相同或略大一可 滿足滲碳鋼對晶粒度的要求。H遙世群話嘣哩番；圖2滲層顯微硬度分布衄線表5滲碳試樣的晶粒度4討論41碳對準(zhǔn)貝氏體鋼組織轉(zhuǎn)變的影響貝氏體相變需要碳的擴(kuò)散和重新分配，即貝氏體形核需要形成貧碳區(qū)z“，。碳 含量增加貧碳區(qū)的形成時間就會延長“，從而使貝氏體轉(zhuǎn)變的c曲線向右

12、移。同 時貝氏體鐵索體的長大也受碳擴(kuò)散的控制“ ，碳含量增加減小了aY相界面處與 基體間的碳濃度梯度“，從而降低碳的擴(kuò)散速度，阻礙貝氏體鐵素體的長大。碳 含量增加，使貝氏體轉(zhuǎn)變激活能提高“ 。碳含量增加，提高了過冷奧氏體的切變 強(qiáng)度，使貝氏體切變形核困難“ 。因此，當(dāng)鋼中的臺金元素含量一定時，碳含量增加將使準(zhǔn)貝氏體轉(zhuǎn)變C曲線移 向右下方馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度降低，空冷馬氏體淬透性增大，空冷組織中準(zhǔn)貝氏 體量減小，馬氏體量增加，直至得到全部馬氏體組織。因此當(dāng)合金元素不變時， 髓含碳量增加，準(zhǔn)貝氏體鋼止火后的組織將按以下次序變化：準(zhǔn)貝氏體一準(zhǔn)貝氏體+ 馬氏體+殘余奧氏體一高碳馬氏體+殘余奧氏體。如圖7

13、所示，這也就是準(zhǔn)貝氏體鋼 滲碳空冷后由心部到表層的組織變化。關(guān)于準(zhǔn)貝氏體+馬氏體復(fù)合組織的 精細(xì)結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步研究。據(jù)資料1 介紹，含碳055*的SiMn-Mo系貝氏 體鋼在空冷條件F可得到貝氏體、馬 氏體和殘余奧氏體的復(fù)合組織，其中 貝氏體為變態(tài)下貝氏體(即準(zhǔn)下貝氏 體)，而馬氏體包括板條馬氏體和孿 晶馬氏體。此外，碳含量增加，貝 氏體轉(zhuǎn)變開始溫度(點(diǎn))下降則得到的貝氏體組織細(xì)小，貝氏體鐵素體 圖7碳對準(zhǔn)貝氏體鋼CCT圖的影響內(nèi)位錯密度更高，導(dǎo)致強(qiáng)度升高“ 。(示意圖)42硅對準(zhǔn)貝氏體鋼滲碳特性的影響 (1)si減小鋼表面吸收碳原子的能力，降低滲碳層碳濃度及滲層深度。關(guān)于Si對碳在奧氏體中的

14、擴(kuò)散系數(shù)的影響，資料“”表明，si對擴(kuò)散系數(shù)略有減小，對碳原 子在奧氏體內(nèi)的擴(kuò)散影響極微。但資料o”表明，在高溫區(qū)(滲碳溫度區(qū))，因si可提 高碳的活度從而增加碳原子在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)，在中錳區(qū)，田Si可增加Fe原 子的結(jié)合力而可提高碳原千擴(kuò)散的激活能，從而可減小碳在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)a不論si對碳在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)影響如何，總的結(jié)果是Si減慢滲碳，明顯地減 小滲層厚度。由試驗結(jié)果知，隨著準(zhǔn)貝氏體鋼中Si含量的增加，滲層碳含量以及滲 層深度均呈減小趨勢。當(dāng)Si含量為20時鋼的滲碳性能很差。因此，在滲碳用準(zhǔn) 貝氏體鋼中，Si含量不宣過高。利用si對滲碳的阻礙作用，可以調(diào)節(jié)工件吸收碳的 能力，

15、降低滲層碳含量并緩和碳濃度梯度，改善碳化物形態(tài)，從而改善鋼的力學(xué)性 能2“。(2)si提高鋼的回火抗力。延緩鋼的軟化?；鼗饡r，Si強(qiáng)烈阻礙滲碳體的析出 與聚集長大。對其阻礙機(jī)制仍有爭論”“。一種觀點(diǎn)認(rèn)為由于Si擴(kuò)散進(jìn)入e碳化物， 提高其穩(wěn)定性，從而難以形成滲碳體；另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為，硅不溶于滲碳體，長大 中的滲碳體片將向外推出Si原子，而si在低溫下的擴(kuò)散又相當(dāng)困難，從而形成動 力學(xué)障礙，阻止?jié)B碳體的進(jìn)一步長大。不論機(jī)制如何，其結(jié)果使鋼的回火抗力顯著 提高”將第一婁回火脆性推向高溫。由試驗結(jié)果可知準(zhǔn)貝氏體鋼滲碳后經(jīng)280(2回火，滲層和心部仍能保持較高的 強(qiáng)度和硬度，從而改善了滲層和心部的塑性、

16、韌性和缺口敏感性。(3)si和C均為強(qiáng)石墨化元素，增加Si和C的含量會促進(jìn)石墨化。但準(zhǔn)貝氏體 鋼滲碳時，由于si的阻礙作用，滲層碳含量較低，故一般不會出現(xiàn)石墨化：此外， 銅中含有少量的cr即可抑制石墨化“。所研制的準(zhǔn)貝氏體鋼中，除4號外均含有 一定量的Cr元素，故完全可以抑制石墨化的產(chǎn)生。試驗結(jié)果已證實了這一點(diǎn)。4結(jié)論(1)2號、3號準(zhǔn)貝氏體鋼具有較好的滲碳特性，1號次之，4號晟差。 (2)準(zhǔn)貝氏體銅具有優(yōu)越的空冷淬硬性。 (3)準(zhǔn)貝氏體鋼滲碳層最外層為高碳馬氏體+殘余奧氏體過渡區(qū)為馬氏體+準(zhǔn)貝氏體+殘余奧氏體。滲層殘余奧氏體較多，無碳化物折出。 (4)隨si含量增加滲層碳含量及滲層深度減小，

17、當(dāng)si含量超過20時，準(zhǔn)貝氏體鋼不能滲碳。 (5)碳含量增加準(zhǔn)貝氏體轉(zhuǎn)變C曲線向右下方移動?？绽漶R氏體淬透性增大。 (6)準(zhǔn)貝氏體鋼滲碳工藝為：“92010滲碳、空冷+180C20C(或280C20)回火”。(7)與18Cr2Ni4WA鋼相比，準(zhǔn)貝氏體鋼滲碳特性接近滲碳工藝簡單。參考文獻(xiàn) DSDavenportandECBain，“SAIME90，(1931)，117 TKoandSACottreil，JISl，l 72，1952)307嘲JMObak andRF lIehemannTransformatiand ffardenabttyinSteelsC1imaxMolybdenumCoAn

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