渗碳淬火件非马氏体组织形成原因分析及对策

来源:陕西法士特汽车传动集团公司作者:马录

对渗碳零件非马氏体组织的形成机理进行了阐述,试验了内氧化、冷却速度和淬火介质对渗碳零件非马氏体组织的影响,并依据笔者一线生产经验提出了一些对策。

普遍的理论认为非马氏体组织是由于晶界内氧化使合金元素贫化、淬透性下降导致形成屈氏体类组织。渗碳淬火件的非马氏体组织包括: 表面脱碳形成的铁素体、表层沿晶界形成的屈氏体,有些钢种还有贝氏体,以及在不腐蚀条件下所见到的晶界内氧化。非马氏体组织深度如果超标严重,反映在力学性能上就是出现零件表面硬度低的现象。在实际使用中会降低齿轮的耐磨性和疲劳寿命,危害比较严重。目前广泛使用的吸热式保护气氛渗碳和氮-甲醇气氛渗碳,淬火后零件表面都不同程度地出现黑色组织、黑色网或黑带,轴类零件和齿轮类零件的齿根部位较为严重,见图1,试样未经腐蚀状态。

典型非马氏体组织

图1 典型非马氏体组织(未腐蚀状态)

1、非马氏体组织的形成机理

非马氏体组织是晶界内氧化与合金元素贫化综合作用的结果。经过对黑色组织、黑网或黑带进行金相观察和物理分析,证明它是奥氏体的分解产物,还有少量O、N、Fe、Mn、Cr 的合金化合物。晶界内氧化与炉气的组分、温度和工件的材料有关;从热力学角度分析,在常用的热处理温度范围内,Al、Ti、Si、Ta、Cr、Mn 和Nb 等合金元素比Fe 对O 具有更大的亲和力,即这些合金元素在热处理中可能被内氧化;W、Mo、Ni 合金元素对O 的亲和力比Fe 要小,含有这些元素的合金钢内氧化倾向较小。因此常用渗碳钢20CrMnTi 比8620H 和20CrNi3 材料晶界内氧化严重。

此外,晶界内氧化的快慢还与动力学有关,气氛中有一定的碳势,就有相应的氧分压。由Sierent 定律可知钢表面有对应的氧含量,在钢的表面到内部形成氧的浓度梯度而发生氧的扩散。同时在内氧化物形成中还存在着基体中的杂质或合金元素的长程逆扩散和富集,内氧化层深符合扩散定律,并取决于氧和合金元素的扩散速度。随着渗层加深,渗碳时间延长,深度增加主要由动力学来控制,工件在炉内停留的时间越长,晶界内氧化越严重。

晶界的合金元素被氧化后,游离的合金元素浓度下降,它邻近区域的合金元素就向晶界扩散,扩散到晶界的合金元素又被氧化,这个过程不断进行,造成了奥氏体晶界以至内部合金元素的贫化,其稳定性下降。由于晶界的特殊条件,原子排列杂乱,晶界边缘的奥氏体合金元素在渗碳过程中易于贫化严重,加上合金元素非自发形核的作用,晶界易于产生黑网。由于提高淬透能力的合金元素的浓度下降了,因此这个区域的淬透性也相应下降,导致淬火时转变为马氏体的能力下降,从而出现非马氏体显微组织。

2、非马氏体组织形成的主要影响因素

2.1、原料气中氧化性组分含量过高的影响

用丙烷制备的吸热式气氛作为载气,要严格控制原料气丙烷中水和硫的含量以及空气中水的含量,必须用辅助监控装置露点仪来严格控制气氛的露点。氮-甲醇气氛中,通常用薄膜或焦炭分子筛制氮,在运行初期氮气纯度能达99.99%,随着运行时间的延长和设备的老化,氮气的纯度随之降低,影响渗碳淬火件非马氏体显微组织的控制,最好采用液氮或者严格控制氮气的纯度;甲醇要严格控制其水、有机硫和无机硫的含量,应采用优质纯净的甲醇。

2.2、工件材料的影响

含有W、Mo、Ni 合金钢的内氧化倾向小。钢中含微量的B 或加入微量Mo 能使C 曲线右移,提高钢的淬透性,渗碳淬火后非马组织较浅。在选材时应尽可能选用含W、Mo、Ni 的高淬透性合金渗碳钢。

2.3、热处理工艺的影响

为减少内氧化,从工艺方面主要途径是控制氧、二氧化碳和水的含量,保持炉压稳定,减少工件在炉内的时间,尽早恢复炉气并保持控制稳定。在加热前保持零件洁净,毛坯零件应进行良好的预备热处理,消除锻造缺陷,选用冷速较快的冷却介质。钢件渗碳后,适当提高淬火加热温度,亦可使过冷奥氏体等温转变(TTT) 曲线右移,从而减少非马氏体显微组织。

2.4、设备密封性的影响

炉子良好的密封性,使炉外空气不会侵入,从而有效减少非马氏体显微组织。

2.5、淬火冷却介质的影响

正确地选择冷却介质是抑制和减少非马氏体显微组织的重要措施,渗碳后的零件采用碱水淬火,黑网几乎不会出现。在大批量生产中发现,薄壁零件、环齿类零件淬火后一般内氧化程度轻微,而轴类零件则容易出现黑网。所以在不导致开裂和产生严重变形的前提下尽量采取冷却快的介质,对减少非马氏体显微组织非常有利。提高冷却速度可以从两方面入手: 一是使用冷却效率高的淬火油或者盐浴;二是提高淬火时油的流动速度。一般认为,油的流速在0.3 ~ 0.5 m/s 较合适,速度太高,易产生工件的阴阳面,导致硬度、组织的差异和工件的变形。因为提高油的流动速度,相对工件而言实际只是提高了工件阳面和侧面油的流速,工件阴面和死角(如齿根) 几乎没有明显提高;工件的冷却速度也是如此。

2.6、炉子气氛的循环能力和换气能力

边界气膜层学说是近代气固相化学反应速度研究领域形成的新学说,它同样适用于化学热处理渗碳。渗碳时气氛中的有效成分与工件表面接触发生以下反应:

渗碳淬火件非马氏体组织形成原因分析及对策

碳被吸收后,残余气体会在工件表面不断累积,形成一个中间气膜层,其主要成分是CO2、H2、H2O,见图2 模型。渗碳时气氛中的活性成分穿透“中间气膜层”后才能和工件接触参与渗碳反应。

在中间气膜层中非渗碳活性成分CO2、H2、H2O 的浓度远高于层外。“中间气膜层”的存在,阻碍着气氛与工件表面的接触,从而影响了渗碳反应的发生;同时,中间汽膜层中主要是氧化性组分,对晶界内氧化非常不利。提高炉子循环风扇的循环能力,使之破坏气膜层,增强气氛与工件的接触,提高反应的有效几率,对减少非马氏体显微组织非常有利。

渗碳淬火件非马氏体组织形成原因分析及对策

图2 气体渗碳过程模型

5、结论

1) 有效改善非马氏体显微组织,需要从原材料、前清洗、渗碳工艺、渗碳气氛、材料与淬火冷却介质的匹配性等多个环节进行控制。

2) 停炉再起炉后加长恢复炉气的时间,充分排除炉内氧化性组分。

3) 提高温度碳势,缩短工艺时间,减少工件在炉内加热时间;或在渗碳后期扩散阶段连续通入载气流量1% ~ 3% 的氨气对改善非马氏体组织非常明显。

4) 按GB/T 3480.5-2008 标准分析,非马氏体组织对齿轮的强度和质量的影响没有提及,各企业应该及时研究更新标准,建议检测晶界内氧化(IGO) 。

致谢:在本文撰写过程中,非常感谢汪庆华老师的校审和指导!