准贝氏体钢的渗碳特性及渗碳工艺

1、准贝氏体钢的渗碳特性及渗碳工艺贺自强1，程巨强2，扬廷清2，康沫狂2 (1北京福田建材机械有限责任公司，北京101117； 2西北工业大学，西安710072)摘要本文对比研究了si一一Mo系准贝氏体钢和18Cr2Ni411lA锕的溶碳特性和渗碳工艺结果表明 准贝氏体钢具有较好的渗碳特性，尤其是优越的空冷淬硬性，并确定了准贝氏体铜的渗碳工艺。 关键词准贝氏体钢渗碳特性渗碳工艺1引言自Davenport和Bain“在钢中发现贝氏体以来，经过半个多世纪的研究，在贝 氏体相变理论及贝氏体钢的开发应用方面取得了很大进展”“，各种贝氏体钢相继研 制成功并应用于实际生产。康沫狂教授提出了实质上是低碳马氏体的

2、贝氏体铁索体 和残余奥氏体组成的准贝氏体组织的概念”。，利用si对贝氏体中碳化物析出的强烈 阻碍作用，研制成功了si_MnMo系准贝氏体钢”?，具有优异的力学性能、工艺性能 和良好的经济性。含镍渗碳钢(12Cr2Ni4A18Cr2Ni4WA，20Cr2Ni4k等)渗碳性能优 良，但该类钢价格昂贵，渗碳工艺复杂。开发少镍或无镍优质渗碳钢是急待解决的 一大问题。目前，国内外所研制的各类贝氏体钢，大都在正火或正火+回火状态下使 用，而将贝氏体钢用于化学热处理领域的研究为数尚少。因此本文以siMnMo系 准贝氏体钢为例，通过与18Cr2Ni4WA相比较，对贝琵体钢的渗碳特性和渗碳工艺进 行研究为贝氏体

3、钢开辟新的应用领域。2试验材料及试验方法21试验材料选用研制的准贝氏体钢(1号、2号、3号、4号)及18Cr2Ni4WA钢(5号)见表I。 22试样及热处理将原材料改锻成中25的圆棒，经700。C，3h退火。剥层化学分析试样尺 寸为020 x120ram，试样经920，4h渗碳后快速出炉油冷，然后经650C，4h回火 (18Cr2Ni4lYk钢经650C，4h二次回火)以降低硬度。准贝氏体钢试样经“920C4h渗碳、空冷+180|C2h回火”后测定渗层显微硬度，18Cr2Ni4WA钢经“920C 4h渗碳、空冷+6504h二次回火+830C40min加热油淬+1802h回火”后测定 渗层显微硬

4、度。表1试验用钢的化学成分(wt)编号CSiMnMoCrNiWSP10251080008003l2O171250009003l3O2l169000900354O1320001900355O1802403614942lO990009001223试验方法用精密车床对渗碳试样进行剥层，剥层深度为015mm层，每个试样剥层13 次。用CS一344碳硫分析仪测定剥层铁屑含碳量。用Hxi000显微硬度计测定 渗层显微硬度，试验力为5009f，试验力保持时间为ISs在Newphot一2型金相 显微镜上观察显微组织。3试验结果及分析3I 渗层碳含量分布及渗层深度准贝氏体钢及18Cr2Ni4WA钢经920C，4

5、h渗碳后用剥层化学分析法测出的渗层碳含量分布曲线如图l所示。渗层最高碳含量、碳浓度梯度及渗层总深度见表2。一冰Q删如璐_遐髓至掺层表面g巨离mm图1渗层碳含量分布曲线表2渗层量高碳含量、碳靠度梯度及渗屠总深度材料123d 5渗层嫱高碟含量()0860770790241，01碳浓度梯度()0620610580100 84渗屡总深度()132l43128O23160注：1)碳浓度梯度指渗层表面碳古量与心部碳含量的差值可见18Cr2Ni4Wh碳含量最高，碳浓度梯度最大，渗层深度亦最大。1、2、3 号准贝氏体钢次之，大致处于同一水平，而4号准她氏体制基本未渗进碳。这表明 18Cr2Ni4WA钢渗碳能力

6、最强：1、2、3号准贝氏体钢渗碳能力较好：4号准贝氏体钢 渗碳能力最差，不宜渗碳。若不考虑c及其他台金元素的影响，随着准贝氏体钢中Si含量增加，渗层碳含 量、碳浓度梯度及渗层深度呈减小趋势。当Si含量达到20时，渗层表面碳含量仅 为024，渗层深度仅为023mm。可见si明显降低渗层碳浓度及渗层深度，对渗 碳具有阻碍作用。在准贝氏体钢中加速渗碳的元素Cr，Mo的含量较低t而阻碍渗 碳的元素sj的含量较高，因而表现为渗层碳含量较低，渗层较浅。32渗碳件表面、心部硬度及渗层硬度分布321渗碳件表面、心部硬度 准贝氏休钢及18Cr2Ni4WA钢渗碳件表面及心部的硬度见表3。表3表面及心部硬度值(HR

7、c)材抖热处理工艺表面硬度心部硬度束回火58547 8920 x6h津联空玲180回火55847 5280倒火53181束匐火6l3422 29206h渗碱空挎lB0回火59341 8280同火56042 I来回J凡B204,t 79206h渗碳，空降180回60 24 72BO回失5645 0920C6h棒碳空抟385I，7丰回J6213D9106h浩碳，空降，6504h二改回失180回火58942 18304嘶i n加热油垮080_；c回火52 037】可见准贝氏体钢具有优越的空冷淬硬性，一般渗碳后直接空冷即可淬硬。这 是准贝氏体钢不同于一般渗碳钢的工艺特点。由于准贝氏体钢本身具有很高的空

8、冷 淬透性，加之碳元素能有效地增加铡的淬透性“，故渗碳空冷，渗层和心部即可淬33显微组织准贝氏体钢渗碳空冷后，渗层最外层为高碳马氏体+残余奥氏体组织，如图3。 渗层残余奥氏体较多，无碳化物析出这是准贝氏体钢合金化特点所致，是其不同 于一般渗碳钢的组织特点。由外向里渗层残余奥氏体量减小，高碳马氏体逐渐过 渡为马氏体与准贝氏体的混合组织最终转变为准贝氏体组织。过渡区马氏体+准贝 氏体+残余奥氏体组织如图4心部准贝氏体组织如图5。渗层未发现石墨化及其它 渗碳缺陷。35渗碳工艺由表3知，准贝氏体铜渗碳空冷后经180。C回火，渗层硬度高，但韧性、塑性不 足，而心部准贝氏体的韧性和屈服强度较低；经280U

9、回火后渗层硬度有所降低(仍 保持在55HRC以上)，但塑性、韧性增加，心部组织的强韧性最好 1，二者各有利弊， 应结合具体的服役条件进行选择。对于以弯曲疲劳或以擦伤、微切削型磨损损坏形 式为主的渗碳件可选择1801C回火甚至不回火。而以滚动接触疲劳(点蚀)，应变疲 劳型磨损损坏为主，或承受较大的冲击载荷时可选择280C回火“。准贝氏体钢的 渗碳工艺见图6。图3高碳马氏体+奥氏体800图4马氏体+准贝氏体+残余奥氏体图5准贝氏体800X图6准贝氏体钢渗碳工艺透。一方面，准贝氏体钢本身合金元素含量较高，将导致渗层残余奥氏体较多硬 度降低；另一方面，si又抑制了渗层碳含量的过分增长，使残余奥氏体量保

10、持一定 水平。二者相互作用，使渗层保持合理的碳含量和较高的硬度。1号准贝氏体钢渗层 硬度较低是由于其本身Si含量较低所致。由表3可知无论是180还是280回火，准贝氏体钢表面硬度降低很少，而 心部硬度基本不变。相反，18Cr2Ni4Wh钢表面和心部硬度均有较大降低。这是由于 准贝氏体钢含有较多量的强烈提高回火抗力韵Si元素 1。322渗层显微硬度分布准贝氏体钢及18Cr2Ni4WA钢渗碳层显微硬度分布曲线如图2所示。可见，准贝 氏体钢渗层硬度最高值出现在距表面大约03u处。而渗层表面的硬度值则较低。 这是由于准贝氏体钢经渗碳、空冷后，渗层表面的残余奥氏体量较多的缘故。由外 向里，残余奥氏体量逐

11、渐减小，硬度有所回升，因而出现硬度的峰值。与18Cr2Ni4WA相比，准贝氏体钢渗层过渡区硬度降幅较大，这是由于其渗层较 浅的缘故。当潘层深度增大时，可得到平缓的过渡区。3 3晶粒度根据GB金属平均晶粒度测定法测定920C，6h渗碳后的钢的奥氏体晶粒度t 见表5。可见准贝氏体钢渗碳后，晶粒尺寸与18Cr2Ni4WA铜基本相同或略大一可 满足渗碳钢对晶粒度的要求。H遥世群话嘣哩番；图2渗层显微硬度分布衄线表5渗碳试样的晶粒度4讨论41碳对准贝氏体钢组织转变的影响贝氏体相变需要碳的扩散和重新分配，即贝氏体形核需要形成贫碳区z“，。碳 含量增加贫碳区的形成时间就会延长“，从而使贝氏体转变的c曲线向右

12、移。同 时贝氏体铁索体的长大也受碳扩散的控制“ ，碳含量增加减小了aY相界面处与 基体间的碳浓度梯度“，从而降低碳的扩散速度，阻碍贝氏体铁素体的长大。碳 含量增加，使贝氏体转变激活能提高“ 。碳含量增加，提高了过冷奥氏体的切变 强度，使贝氏体切变形核困难“ 。因此，当钢中的台金元素含量一定时，碳含量增加将使准贝氏体转变C曲线移 向右下方马氏体转变开始温度降低，空冷马氏体淬透性增大，空冷组织中准贝氏 体量减小，马氏体量增加，直至得到全部马氏体组织。因此当合金元素不变时， 髓含碳量增加，准贝氏体钢止火后的组织将按以下次序变化：准贝氏体一准贝氏体+ 马氏体+残余奥氏体一高碳马氏体+残余奥氏体。如图7

13、所示，这也就是准贝氏体钢 渗碳空冷后由心部到表层的组织变化。关于准贝氏体+马氏体复合组织的 精细结构有待进一步研究。据资料1 介绍，含碳055*的SiMn-Mo系贝氏 体钢在空冷条件F可得到贝氏体、马 氏体和残余奥氏体的复合组织，其中 贝氏体为变态下贝氏体(即准下贝氏 体)，而马氏体包括板条马氏体和孪 晶马氏体。此外，碳含量增加，贝 氏体转变开始温度(点)下降则得到的贝氏体组织细小，贝氏体铁素体 图7碳对准贝氏体钢CCT图的影响内位错密度更高，导致强度升高“ 。(示意图)42硅对准贝氏体钢渗碳特性的影响 (1)si减小钢表面吸收碳原子的能力，降低渗碳层碳浓度及渗层深度。关于Si对碳在奥氏体中的

14、扩散系数的影响，资料“”表明，si对扩散系数略有减小，对碳原 子在奥氏体内的扩散影响极微。但资料o”表明，在高温区(渗碳温度区)，因si可提 高碳的活度从而增加碳原子在奥氏体中的扩散系数，在中锰区，田Si可增加Fe原 子的结合力而可提高碳原千扩散的激活能，从而可减小碳在奥氏体中的扩散系数a不论si对碳在奥氏体中的扩散系数影响如何，总的结果是Si减慢渗碳，明显地减 小渗层厚度。由试验结果知，随着准贝氏体钢中Si含量的增加，渗层碳含量以及渗 层深度均呈减小趋势。当Si含量为20时钢的渗碳性能很差。因此，在渗碳用准 贝氏体钢中，Si含量不宣过高。利用si对渗碳的阻碍作用，可以调节工件吸收碳的 能力，

15、降低渗层碳含量并缓和碳浓度梯度，改善碳化物形态，从而改善钢的力学性 能2“。(2)si提高钢的回火抗力。延缓钢的软化。回火时，Si强烈阻碍渗碳体的析出 与聚集长大。对其阻碍机制仍有争论”“。一种观点认为由于Si扩散进入e碳化物， 提高其稳定性，从而难以形成渗碳体；另一种观点则认为，硅不溶于渗碳体，长大 中的渗碳体片将向外推出Si原子，而si在低温下的扩散又相当困难，从而形成动 力学障碍，阻止渗碳体的进一步长大。不论机制如何，其结果使钢的回火抗力显著 提高”将第一娄回火脆性推向高温。由试验结果可知准贝氏体钢渗碳后经280(2回火，渗层和心部仍能保持较高的 强度和硬度，从而改善了渗层和心部的塑性、

16、韧性和缺口敏感性。(3)si和C均为强石墨化元素，增加Si和C的含量会促进石墨化。但准贝氏体 钢渗碳时，由于si的阻碍作用，渗层碳含量较低，故一般不会出现石墨化：此外， 铜中含有少量的cr即可抑制石墨化“。所研制的准贝氏体钢中，除4号外均含有 一定量的Cr元素，故完全可以抑制石墨化的产生。试验结果已证实了这一点。4结论(1)2号、3号准贝氏体钢具有较好的渗碳特性，1号次之，4号晟差。 (2)准贝氏体铜具有优越的空冷淬硬性。 (3)准贝氏体钢渗碳层最外层为高碳马氏体+残余奥氏体过渡区为马氏体+准贝氏体+残余奥氏体。渗层残余奥氏体较多，无碳化物折出。 (4)随si含量增加渗层碳含量及渗层深度减小，

17、当si含量超过20时，准贝氏体钢不能渗碳。 (5)碳含量增加准贝氏体转变C曲线向右下方移动。空冷马氏体淬透性增大。 (6)准贝氏体钢渗碳工艺为：“92010渗碳、空冷+180C20C(或280C20)回火”。(7)与18Cr2Ni4WA钢相比，准贝氏体钢渗碳特性接近渗碳工艺简单。参考文献 DSDavenportandECBain，“SAIME90，(1931)，117 TKoandSACottreil，JISl，l 72，1952)307嘲JMObak andRF lIehemannTransformatiand ffardenabttyinSteelsC1imaxMolybdenumCoAn

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