钢铁材料学基础 - 讲稿 Rev. A

渗碳钢

要求：渗碳后表面获得高强度、高硬度、高耐磨性，心部获得适当强度和韧性，因此必须选用低碳钢、低碳合金钢

一般碳含量在0.10-0.30%之间，由于渗碳温度在920℃以上，保温时间长，应选择本质细晶粒钢

本质细晶粒钢：5-8级晶粒度，930℃以下A晶粒生长缓慢，晶粒细小，继续高温，A晶粒急剧长大，这种钢称为本质细晶粒钢

本质粗晶粒钢: 1-4级晶粒度，钢加热到临界点后，温度↑，A晶粒迅速长大粗大化

渗碳钢选材考虑几点：

1）化学成分控制C、合金元素含量影响渗碳能力

- 含C量高低会影响心部强度高低、渗碳速度的快慢

- 合金元素Cr,W,Mo易形成合金碳化物，提高C在A中扩散激活能，同时使晶格结合力增加，从而减小C扩散系数；还提高表面碳浓度和含碳梯度，使渗碳层深度减小；

Cr,W,Mo虽能降低C在A中扩散速度，但缺能提高表面起始C浓度，仍可增加CHD深度- 合金元素Ni,Co非碳化物形成元素，与C结合力弱，降低表面起始C浓度，降低CHD 深度

2）末端淬透性试验

考虑2点：硬度和变形

钢材经锻造、正火、热处理后表面和心部硬度的高低

每批钢材的末端淬透性离散度关系到产品的变形

在制定末端淬透性范围时，要考虑产品强度要求和供货离散度，公差带和离散度越小越好

3）奥氏体晶粒度测定

主要考虑一点：长时间加热后A晶粒长大倾向，将影响到锻造、热处理后的显微组织和变形程度

4）显微组织及其他因素

夹杂物

魏氏组织（一种过热组织）

----------渗碳原理，见PPT-----------

渗碳组织：缓冷得到的是平衡态，为了获得表面高硬度和心部低硬度的基体组织，需要进行渗碳淬火处理

1）渗碳后的组织含碳量从表面到心部逐渐降低，表层>0.8%,次表面0.8%, 过渡区<0.8%，主要是二次渗碳体+片P，心部P+F

2）渗碳+1次淬火：

工艺1渗碳+直接淬火：渗碳后在渗碳温度下或调低至适当温度直接淬入淬火介质，获得较粗针马氏体、较多残奥25-35%,甚至更高，因此直接淬火硬度偏低

防开裂：立即回火150-180℃，改善、消除内应力

*直接淬火：温度过低会造成过量碳化物+心部铁素体F；过高变形大，因此适用于尺寸精度低、小的零件

工艺2渗碳+空冷（细晶）+再加热淬火（消除二次Fe3C）：淬火温度和保温时间，根据渗碳后二次渗碳体的形状和数量来决定，温度↑时间↑有效消除二次渗碳体

渗碳+空冷+正火（细晶，消除大的Fe3C）+再加热淬火：有效消除二次渗碳体

防开裂：立即回火150-180℃，改善、消除内应力

4）渗碳+2次淬火：在1次淬火后进行，要先

防开裂：立即回火150-180℃X 10Hr左右，改善、消除内应力，防止H脆，大壁厚要进行650℃回火

2次淬火：在A1+50℃左右的低温下淬火（一般780-840℃），获得表层的球状碳化物+铁素体α，降低马氏体含碳量，减少残奥γR，提高硬度

*2次淬火：较低的淬火温度，因为在再加热升温中550-650℃，表层为globular carbide + 铁素体α，为了保留残存的球状碳化物进行淬火，

就需要降低淬火温度，使得马氏体中碳含量变少，残奥γR减少，硬度提高。适用于大壁厚、残奥多、尺寸精度要求高的零件

渗碳优点：

1. 渗碳表层残奥γR<15%，柔软起到缓冲作用，特别是在异物混入的润滑条件下，防止表面起点型剥落

2. 渗碳心部残奥γR几乎为零，尺寸稳定性好

3. 渗碳表层残留压应力，提高疲劳强度

渗碳缺点：

1. 内部开裂风险：硬化层的过渡区，沿着深度方向有拉应力，并且由于渗碳气氛中H的侵入，有H脆风险（对策：立即回火）

2. 内部晶间氧化：渗碳气氛中带来微量O，在表面微米处与Cr,Mn等发生氧化，阻碍淬火，在淬火后析出极细珠光体（托氏体），降低疲劳寿命。

（对策：一般要求max 13um，20CrMnTi最容易发生晶间内氧化；真空渗碳没有内氧化）

3. 研磨裂纹：残奥较高时，在磨削加工中残奥->马氏体转变，产生磨削裂纹

4. 研磨生锈：研磨堆积后在端面生锈，这是因为热处理时气氛中带入的氢H侵入材料，不能充分去除，在研磨时与研磨液、防锈油中的的硫S反应生成H2S。

（对策：热处理充分去氢、研磨后不重叠堆积保存）

渗碳淬回火后的心部组织：心部组织根据钢材淬透性、工件截面大小获得各种组织：板条低碳马氏体、贝氏体、托氏体、索氏体、铁素体等等混合组织

板条低碳马氏体性能最后，33-48HRC

冷却不足：细小条状铁素体F

加热不足：部分F未溶残留大块状分布的铁素体，心部硬度降低

这些都与钢材淬透性有关，只要心部硬度符合要求，组织不受限制

渗碳层深度的计算方法：

1. 金相法

2. 有效硬化层测定：国际通用的测定渗碳层、碳氮共渗层、高频感应淬火淬硬层深度的一种方法

从零件表面到维氏硬度值为550HV的垂直距离，参考EN10328，DIN50190

真空渗碳法，在1Kpa以下（0.2～0.3Kpa），将乙炔(C2H2)脉冲送入炉内，进行交互式反复地渗碳、扩散。根据装入产品的表面积来设定脉冲的时间，

能够得到所设定的目标碳浓度。在真空渗碳中可进行高碳渗碳，析出细微的渗碳体，是以提高耐磨性和改善疲劳强度为目的的方法，适用于模具等的

热处理。通过进一步的氮化，能够期待改善高温疲劳强度、耐烧结性等

工具钢

通常需要淬火加二次甚至多次回火，因为合金含量一旦增加后，碳化物形成元素Cr，Mo, v, W等容易生成大块碳化物和多的残奥，必须通过回火降低脆性。

可锻性

比值越大，证明变形程度越大，对内部材料组织影响越大，使得内部铸态组织破碎，组织细化，提高热处理时候的强化相

冷锻：一般总体温度都不高，几十度

热锻：加热-出炉-空气中锻造

等温锻：要求零件温度、环境温度、模具温度都一样，一般有专门设备，自带加热，保证了锻件从出炉到成型温度一致，这样得到的锻件组织更细化，晶粒度

等级更高。

*等温锻的作用

1.有些对温度敏感的材料或过热，热锻后容易形成粗晶组织，此时可选择等温锻。

如果条件不允许，可以把模具和零件一起加热，这样就是热模锻，相对来说好一点。

2.等温锻因为温度恒定，所以材料的流动性好，变形阻力相对小，适合一些难变形材料

*冷锻起2个作用

1.继续破碎内部晶体组织，获得细化组织

2.通过冷锻释放零件内部70-85%残余应力，对热处理变形有帮助

锻造温度一般高于再结晶温度，超过了固溶温度

锻后冷却方式：快慢得到不同的组织（相）

1.空冷快，粗晶

2.缓冷慢

锻造多为碳素钢和不锈钢，工具钢少，因为合金元素过多，容易形成偏析和受热不均匀

比如，高温合金、16Co合金、20超高强度钢

先加热到一个低温，再加热到高温才开始锻造，防止开裂