真空滲碳均勻性測試

　　測定了30CrMnTi鋼試樣在臥式雙室真空滲碳爐滲碳并爐冷或淬火后的滲碳層深度、有效硬化層深度和表面硬度的均勻性。結果表明，按目標滲層深度1.0mm真空滲碳和爐冷的試樣，用金相法測定的滲層深度偏差≤0.10mm。按目標滲層深度1～2mm真空滲碳和淬火的試樣的有效硬化層深度偏差≤0.10mm。同爐次滲碳、淬火試樣的表面硬度偏差≤1.5HRC，不同爐次滲碳、淬火試樣的表面硬度偏差≤2.5HRC。

　　真空滲碳具有工件無(wú)內氧化，表面質(zhì)量好，耗氣量少，熱處理畸變小，對環(huán)境影響小，適合于高溫滲碳、深層滲碳、盲孔滲碳等特點(diǎn)，正在得到日益廣泛的關(guān)注和應用。真空滲碳均勻性也是真空滲碳設備制造廠(chǎng)和用戶(hù)關(guān)注的關(guān)鍵問(wèn)題之一。由于目前我國還沒(méi)有頒布有關(guān)真空滲碳爐的標準，也沒(méi)有真空滲碳爐滲碳均勻性評定方法的統一標準，這一問(wèn)題可能會(huì )影響真空滲碳技術(shù)的推廣應用。

　　本文對真空滲碳均勻性進(jìn)行了實(shí)測，并討論了影響滲層深度和有效硬化層深度均勻性的因素，并粗略估算了測量誤差和材料成分波動(dòng)對有效硬化層深度的影響程度。

1、測試方法

　　滲碳設備為DCO1266H型臥式雙室真空滲碳氣冷油淬爐，有效加熱區尺寸1200mm×600mm×600mm，最大裝爐量600kg，最高工作溫度1320℃，爐溫均勻性≤±5℃，極限真空度≤5×10-1Pa。滲碳均勻性測試方案如表1所示。采用金相法和有效硬化層法測定滲層均勻性。試樣材料為30CrMnTi鋼，試樣尺寸為40mm×25mm×10mm，試樣編號和在有效加熱區的布置如圖1所示。

表1　真空滲碳均勻性測試方案

圖1　測定滲碳均勻性的試樣在有效加熱區的布置及試樣編號

　　滲碳工藝如圖2所示，采用1次預熱后升溫至930℃滲碳。脈沖滲碳擴散階段為多段滲碳脈沖加擴散脈沖構成的脈沖序列，滲碳介質(zhì)為乙炔。

　　滲碳后，觀(guān)察滲層表面的顯微組織，用金相法測量隨爐冷卻試樣的滲層深度，用顯微硬度計測定油淬試樣的有效硬化層深度，用洛氏硬度計測定油淬試樣的表面硬度。

圖2　真空滲碳工藝過(guò)程示意圖

2、測試結果

2.1、滲層顯微組織

　　圖3為隨爐冷卻試樣的滲層組織，為珠光體，表面有少量網(wǎng)狀碳化物。這表明表面含碳量稍高于共析點(diǎn)，導致?tīng)t冷過(guò)程中沿奧氏體晶界析出碳化物。圖4為淬火試樣的滲層組織，為馬氏體+殘留奧氏體，表面有少量碳化物。真空滲碳淬火后試樣組織良好，未出現內氧化、網(wǎng)狀滲碳體等缺陷。

圖3　真空滲碳后爐冷試樣的滲層組織

圖4　真空滲碳和淬火后試樣的滲層組織

2.2、滲層深度和有效硬化層深度

　　圖5為第1、第2爐滲碳后爐冷試樣的滲層深度，可見(jiàn)同爐次試樣滲層深度偏差≤0.1mm。滲碳的目標深度均為1.0mm。

圖5　真空滲碳后爐冷試樣的滲層深度

　　圖6為2號位置試樣按1.0mm、1.5mm和2.0mm的目標深度滲碳、淬火后硬化層硬度分布曲線(xiàn)。從圖6可以看出，滲層硬度梯度較為平緩，滲層與基體結合良好。圖7為第3～5爐滲碳、淬火試樣的有效硬化層深度檢測結果，同爐次淬火試樣有效硬化層深度偏差≤0.10mm。

　　與目標滲層均為1.0mm的第1～3爐結果相比較，第1、第2爐隨爐冷卻試樣用金相法測得的9個(gè)試樣滲層深度平均為0.94mm，第3爐淬火試樣用硬度法測得的9個(gè)試樣有效硬化層深度平均為1.06mm，即用硬度法測得的有效硬化層深度比用金相法測得的滲層深度深約0.12mm。

圖6　2號位置試樣按1.0mm、1.5mm和2.0mm的目標滲層深度真空滲碳和淬火后滲層硬度分布曲線(xiàn)

圖7　第3～第5爐試樣的有效硬化層深度

2.3、淬火試樣的表面硬度

　　圖8為第3～第5爐次滲碳后油淬試樣的表面硬度，為61.0～63.5HRC，同爐次試樣硬度偏差≤1.5HRC，不同爐次試樣硬度偏差≤2.5HRC。

圖8　第3～第5試樣滲碳、淬火后的表面硬度

3、討論

　　滲層深度偏差的影響因素有測量誤差、試樣材料的成分波動(dòng)、爐溫均勻性、滲碳氣氛均勻性和淬火冷卻均勻性等，其中前兩個(gè)因素即測量誤差和試樣材料的成分波動(dòng)與測試方法有關(guān)，與滲碳設備無(wú)關(guān)，后三個(gè)因素只與滲碳設備有關(guān)。

　　下面粗略估算測量誤差和材料成分波動(dòng)對有效硬化層深度的影響程度。根據GB/T9450-2005有效硬化層深度測定，允許單個(gè)硬度壓痕對角線(xiàn)長(cháng)度的測量精度為±0.5μm，也即在有效硬化層深度界限值550HV附近硬度測量誤差約為±9HV。如圖6所示，有效硬化層界限值550HV附近的硬度梯度約為127HV/mm，硬度測量誤差±9HV換算為有效硬化層深度測量誤差約為±0.07mm。因此，測定時(shí)需注意盡量減小測量誤差，或者用在單個(gè)試樣上取多次測量平均值的方法來(lái)減小測量誤差。

　　GB/T3077-1999合金結構鋼規定，30CrMnTi鋼含碳量允許范圍為0.24%～0.32%。根據計算機模擬軟件計算，將含碳量為允許范圍的中間值0.28%、目標滲層深度1.0mm的滲碳工藝用于滲下限含碳量0.24%的試樣，得到的滲層深度為0.86mm;滲至上限含碳量0.32%的試樣，得到的滲層深度為1.21mm�？梢�(jiàn)原始含碳量在標準允許范圍的波動(dòng)可能會(huì )對真空滲碳的滲層深度均勻性產(chǎn)生顯著(zhù)影響。因此，在制定滲碳工藝時(shí)應盡可能考慮材料成分波動(dòng)的影響。比如，測試前核準每個(gè)試樣的原始含碳量，每爐9個(gè)均勻性測試試樣的含碳量應盡可能接近。

4、結論

　　(1)真空滲碳淬火后試樣滲層組織良好，未出現內氧化、網(wǎng)狀碳化物等缺陷。

　　(2)按目標深度1.0mm真空滲碳并爐冷的試樣，用金相法檢測的滲層深度偏差≤0.1mm。

　　(3)按1～2mm目標深度同爐次真空滲碳、淬火的試樣的有效硬化層深度偏差≤0.10mm。

　　(4)試樣表面硬度61.0～63.5HRC，同爐次試樣表面硬度偏差≤1.5HRC，不同爐次試樣硬度偏差≤2.5HRC。