氮-甲醇气氛渗碳中非马氏体组织的形成和预防
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栏目主持 ! 李华翔! !
氮 &甲醇气氛渗碳中非马氏体 组织的形成和预防
西安法士特汽车传动有限责任公司! （ 陕西! "#$$%# ） ! 张茂国! 李新斌
wenku.baidu.com
! ! 【 摘要】 ! 采用 #$%&’ 钢材样件在不同条件下进行渗碳淬火处理，通过对获得的非马氏体组织厚度进行 对比，分析讨论了非马氏体的主要影响因素及预防措施。
&= &;* &= &%;
试验中产生的黑色组织由样件表面向内延伸，采用 。对图 ; 日立 ,—%>&& 型扫描电镜观察其形貌（ 见图 ; ） 中标出的 ) 点进行能谱分析，分析结果见图 % ，表明黑 色组织为 01、,-、./ 的氧化物。
图 ;! 样件在 ?%&@ 、强渗 (= *A 后直接 淬火非马（齿根部） 形貌
试验前对设备密封性、淬火油冷却性能、渗碳辅料 （ 氮气、氨气、甲醇和丙酮） 进行检验均合格。样件渗 碳出炉后先切 样 抛 光，采 用 浅 腐 蚀 方 法 通 过 奥 林 巴 斯 :B>; 型金相显微镜在 (&& 倍下观测非马氏体组织厚度， 腐蚀液为浓度 %+ C (+ 的硝酸酒精。不同渗碳淬火条件 下得到的试验结果列于表 % 。
层厚度为 ’) ’###6%%，说明内氧化过程主要发生在渗碳 保温期，而且随着保温时间的延长而不断增加。另外， 提高淬火温度也可在一定程度上减轻内氧化，但残余奥 氏体量相对有所增加。
’) ’$&/’ ’) ’#6#0 ’) ’$&/’ ! 其他同正常条件
’& 结语
（ $ ） 采用高碳势，降低渗碳气氛中的氧分压，则钢 件表面至内部氧浓度梯度降低，有助于减轻内氧化程度。 （ # ） 升温排气阶段加大丙酮量，增加碳势，缩短排 气时间也有利于减少非马氏体组织的产生。 （ 0 ） 渗碳后期通入一定量的氨气提高表面淬透性或 采用较为强烈的淬火方式，可以减少非马氏体组织。 （ , ） 在尽量节约原料的基础上，增加炉内气氛置换 量，有利于减少非马氏体组织。 !
淬火油采用上海好富顿 : 油，渗碳载气为氮气加甲醇混 合气体，富化气为丙酮。#$%&’ 样件化学成分如表 ; 所 示。为减少合金元素含量的差异对试验数据的影响，样 件取材自同一批材质坯料。
表 #% 选用样件化学成分（ 质量分数）（ + ）
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# 后期氨气 ’) ,’% " .
氛置换量可减小内氧化程度。 关于油槽搅拌能力的影响，结果表明，当油槽搅拌 能力增 强 时，内 氧 化 程 度 明 显 降 低，从 慢 速 搅 拌 时 的 ’) ’#6#0%% 下降到 ’) ’$60#%%。 从表中知道，当提高程序开始碳势和后期碳势时所 得到的结果是 ’) ’$60#%%，而全程只通氮气和甲醇时， 由于炉内达不到高碳浓度，表面存在脱碳现象，得到的 非马氏体层厚度为 ’) ’#6#0%%。这说明炉内碳势过低时， 内氧化程度加重，根据 :8;<;7= 定律，炉内有碳势就有氧 势，就有一定的氧分压，当碳势低时，氧势就升高，在 钢的表面到内部形成氧的浓度梯度而发生氧的扩散，从 而加速内氧化过程。在零件入炉后升温排气阶段加大丙 酮量，提高碳势，缩短排气时间也有利于减轻内氧化程 度，但其作用效果不是太好，而且由于温度较低，会造 成炉内大量积存碳黑。强渗后直接淬火得到的非马氏体
图 #! 采用扫描电镜对黑色组织进行分析（ 图 $ 中 ) 点） 表 "! 不同渗碳淬火条件下的非马氏体组织的厚度
试验 目的 ! &#’( 、 $) #’* + （ 质 量 分 数） 强 渗 正常条件 ,) -. 后降温到 /0’( 淬火、快速搅拌 渗碳所用 辅料是否 达到要求 氮气、甲 醇流量 （ %# " . ） 比 0) ’2 #) 0) ’2 ,) ’ ,) ’2 -) ’ ’) ’#6#0 ’) ’#,6’) ’$&/’ ! 其他同正常条件 ! 全 程 只 通 氮 气、 甲醇 ’) ’#6#0 ! 由于碳浓度偏低， 后期有脱碳现象 ’) ’$&/’ 试验条件 试验结果 " %% 1# 2 +30 43 5 ,) ’2 -) ’
长期以来，渗碳淬火件表层的非马氏体组织一直是 难以解决的惯性质量问题，这种连续或不连续的网状或 块状黑色组织，已被公认为是由于内氧化而导致基体中 合金元素在晶界附近偏聚析出，合金元素贫化致使局部 淬透性下降，从而形成的托氏体类组织。这种组织的产 生引起的后果是降低了表面硬度、耐磨性及抗疲劳性能， 特别是弯曲疲劳强度。资料表明，当表面非马氏体组织 的厚度在 (& !) 以上时，弯曲疲劳强度可降低 *&+ ，因 此针对此问题应当给予重视。 内氧化的发生主要是由于渗碳气氛中的氧渗入到零 件表面，与零件表面的合金元素如 ,-、 ./、 01、 2- 等 （ 这些合金元素与氧的亲和力较强） 发生反应，形成氧 化物所造成的。一般把晶内氧化和晶界氧化统称为内氧 化。内氧化的程度一方面取决于渗碳材料中的合金元素； 另一方面取决于渗碳气氛及渗碳条件。许多文献研究表 明，使用含 3-、 .4 元素的渗碳钢可大大减轻内氧化程 度，原因是 3-、 .4 的氧化倾向较小且能强烈增加钢的 淬透性。现已知道，提高渗碳剂、载气等原料的纯度， 改善炉子的密封性等也可有效减缓内氧化的产生。 本文通过测定 #$%&’ 钢材样件在不同条件下渗碳淬 火后的内氧化层深度，找出氮5甲醇气氛渗碳中非马氏体 组织的主要影响因素，确定内氧化产生的主要阶段，并 分析减轻非马氏体组织危害的可行方法。
备注
! 渗碳后期不通氨气 ’) ’#6#0 ! 后期 流量 减小 为 氨气的 影响 ’) #- %# " . ! 后期 流量 减小 为 ’) $- %# " . ! 后期 流量 加大 为 ’) -’ %# " . 慢速搅拌 /’’7 " %89 油搅拌能 快速搅拌 $-’’7 " %89 力的影响 ! 减小 油槽 容积 约 $ " 0 ，快速搅拌 ! 提高 程序 起始 碳 验证内氧 化过程 发生时期 势和后期碳势 ! 强渗后直接淬火 ! 在升 温排 气阶 段 加大 丙 酮 量，缩 短 排气时间 淬火温度 ! 提高 淬火 温度 为 的影响 /,-( ’) ’$&/’ ! 其他同正常条件 ’) ’$60# ! 其他同正常条件 ’) ’$60# ’) ’###6 ! 其他同正常条件 ’) ’$60# ’) ’###6 ! 其他同正常条件 ’) ’###6
#’ 试验条件及方法
渗碳淬火设备采用爱协林（ 670’8973 ） * " % 型多用 炉，炉内气氛的碳势控制由计算机实时控制系统来实现，
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!"#$ %&"#$’"($ "& 分析讨论
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由表 # 中可知，在正常条件下获得的非马氏体组织 厚度为 ’) ’$&/’%%。其他条件不变，当后期氨气流量增
# 大至 ’) -’% " . 时结果没有变化，当减小时非马氏体厚度
增加，不通氨气时非马氏体层达到 ’) ’#6#0%%。原因是 氨在较高温度下分解出的活性氮原子，被零件表面吸收 后向内扩散，一定程度上阻止了合金元素的氧化析出， 提高了淬透性，从而减少了非马氏体组织的产生。 可以看 出，当 氮、甲 醇 流 量 比 由 0) ’ 2 #) - 提 高 为 ,) ’2 -) ’ 时，非马氏体厚度逐渐减小，这说明加大炉内气
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（ $ ） 采用高碳势，降低渗碳气氛中的氧分压，则钢 件表面至内部氧浓度梯度降低，有助于减轻内氧化程度。 （ # ） 升温排气阶段加大丙酮量，增加碳势，缩短排 气时间也有利于减少非马氏体组织的产生。 （ 0 ） 渗碳后期通入一定量的氨气提高表面淬透性或 采用较为强烈的淬火方式，可以减少非马氏体组织。 （ , ） 在尽量节约原料的基础上，增加炉内气氛置换 量，有利于减少非马氏体组织。 !
淬火油采用上海好富顿 : 油，渗碳载气为氮气加甲醇混 合气体，富化气为丙酮。#$%&’ 样件化学成分如表 ; 所 示。为减少合金元素含量的差异对试验数据的影响，样 件取材自同一批材质坯料。
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图 #! 采用扫描电镜对黑色组织进行分析（ 图 $ 中 ) 点） 表 "! 不同渗碳淬火条件下的非马氏体组织的厚度
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备注
! 渗碳后期不通氨气 ’) ’#6#0 ! 后期 流量 减小 为 氨气的 影响 ’) #- %# " . ! 后期 流量 减小 为 ’) $- %# " . ! 后期 流量 加大 为 ’) -’ %# " . 慢速搅拌 /’’7 " %89 油搅拌能 快速搅拌 $-’’7 " %89 力的影响 ! 减小 油槽 容积 约 $ " 0 ，快速搅拌 ! 提高 程序 起始 碳 验证内氧 化过程 发生时期 势和后期碳势 ! 强渗后直接淬火 ! 在升 温排 气阶 段 加大 丙 酮 量，缩 短 排气时间 淬火温度 ! 提高 淬火 温度 为 的影响 /,-( ’) ’$&/’ ! 其他同正常条件 ’) ’$60# ! 其他同正常条件 ’) ’$60# ’) ’###6 ! 其他同正常条件 ’) ’$60# ’) ’###6 ! 其他同正常条件 ’) ’###6
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渗碳淬火设备采用爱协林（ 670’8973 ） * " % 型多用 炉，炉内气氛的碳势控制由计算机实时控制系统来实现，
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由表 # 中可知，在正常条件下获得的非马氏体组织 厚度为 ’) ’$&/’%%。其他条件不变，当后期氨气流量增
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