渗碳淬火中常见缺陷及预防措施

      我们知道所有热处理工艺都离不开三个核心问题：加热、保温、冷却。细说包括加热温度、加热速度、保温时间、冷却速度，当然还有气氛问题。所以一旦出问题我们就会习惯性地从这些方面去分析原因 。
       渗碳淬火我们常会检测这些指标：产品表面外观、表面硬度、心部硬度、渗碳层深度、（有效硬化层深、全硬化层深）金相组织、变形情况。下面分别从这些指标上分享一下看法。

      1.氧化皮：这个主要是因为设备漏气、载气不纯、或含水。需要从设备和原辅料上找原因。

      2.另外一个最头疼的问题是色斑问题，这也是近代对热处理提出的具有挑战性的新要求，原因错综复杂，非常深奥。

       1、硬度偏高（不讨论）

       2、硬度偏低：分为两种情况，一种是渗碳不合格。原因可能是渗碳层偏浅没达到图纸要求，（渗碳没渗上）或所选用检测标尺超出现有渗碳层承受范围，将渗碳层击穿。解决方法：补渗、检测标尺按照。JBT 6050-2006<钢铁零件热处理硬度检验通则>渗碳层深度其实是温度、时间、碳势的函数。从上面几要素来看，可以考虑提高加热温度、延长保温时间、提高渗碳碳势的方法去处理。（当然各参数的调整要充分结合自身的设备和产品的要求）也可能是因为表面有非马组织的存在同样会出现这样的情况。

           硬度偏低还会出现另一种情况，即渗碳合格，但淬火不合格，通俗地讲是没淬上火。这种情况是最复杂的，常言道：热处理三分靠的是加热，而七分靠的是冷却。也体现出冷却过程在热处理工艺中占的地位。下面是我设计的一个对比试验，大家可以一起讨论一下冷却对硬度 的影响。取3组不同材料但规格尺寸完全相同的试棒，其尺寸为Φ20mmX100mm。（ 我们称20号钢试棒为1号、20Cr试棒为2号、20CrMnTi为3号试棒）试棒在同一炉次用同种工艺完成渗碳。假设三只试棒渗碳层深度都在0.6-0.7mm的前提下（ps:假设只是建立在理想状态下）。请思考如下条件下:

a.在同样的条件下完成淬火

b.淬火介质为 慢油、快油、清水、盐水    

c.同种介质中不搅拌与强烈搅拌淬火同样这三个试棒各取两组进行试验。

完成渗碳后，A组采用800度淬火，B组采用860度淬火。他们的硬度从高到低的顺序是怎样？硬化层（以550HV1.0为界限）从深到浅又如何排序拿同种材料的两只试棒对比测试，哪一组可以获得更高的淬火硬度及有效硬化层深度呢？从上述试验结果是否可得出：渗碳层深度不等同于有效硬化层深度、实际淬硬层深度受材料淬透性、淬火温度、冷却速度的影响。冷却介质的冷却特性、淬火烈度同样影响淬火效果。以上是人的看法，如有不完整的大家可以补充。当然还有零件的尺寸效应同样影响淬硬效果。我认为一位有经验的金相检验员可以通过金相组织结合其它检测手段来判定硬度偏低的真正原因，然后找到真因予以解决;做为一名工艺制订者，如果能熟悉常规金属原材料的特性、对自身设备、介质冷却性能都达到一定认知水平，对制订渗碳淬火工艺是有很大帮助的。   

       3、硬度不均匀：炉温均匀（影响渗碳均匀性）、设备结构、气氛循环、装炉量、（影响渗层均匀性，同时影响淬火均匀性）

       4、芯部硬度不合格。

 偏高：淬火温度偏高，材料淬透性太好，碳及合金成份上限、介质冷却速度过快。 

  硬度偏低：正好与之相反。实例分享：20号钢1.5mm 的产品，要求：渗层0.2-0.4mm  芯部HV250有同行朋友认为要求不合理，（大家应该都知道，20号钢板条马氏体的最高硬度会在HV450-470左右）要解决这个问题首先得清楚这种材料的特性：包括淬透性和淬硬性。然后结合上面提到的影响淬火效果的几大因素，在加热和冷却上想办法。在本案例中材料是固定的，我们可以从淬火温度和冷却速度上想出办法，这个厂家刚好用的是超速油，如果降低淬火烈度也达不到要求的话，我们还可以从降低淬火温度想办法。还是那句话，从860-760度，（将温度降下来，降到一定程度时，芯部的过冷奥奥氏体就会析出一定量的铁素体，此时硬度就会有所下降，温度降低越多，析出铁素体的量越多，硬度下降就越多。在此提示一下：要充分结合设备现有的状况，和浅渗层这个特殊的有利指标做文章。

       前面提到，渗层深度是温度、时间、碳浓度的综合函数。要想解决这个问题还得从加热温度、加热速度、保温时间、冷却速度、控制碳层中的碳浓度梯度上着手。温度越高、时间越长、碳势越高渗层越深，反之亦然。但实际上远远不止这么简单，设计一个渗碳工艺，还得综合考虑设备、装炉量、油品特性、金相组织、材料淬透性、渗碳层中的碳浓度梯度与冷却速度搭配等多方面的因素。这个可参考前面硬度偏低的情况来分析，不再深入讲解。

   马氏体超标：原材料晶粒粗大、或未正火、渗碳温度过高。解决方法：正火或多次正火，（ 建议正火温度高于渗碳温度20-30度）如有条件可考虑渗碳缓冷后重新加热淬火

      残奥超标：淬火温度过高、奥氏体里含碳量过高（碳势过高）。      解决方法：充分扩散、条件允许可降低淬火温度、高温回火重新加热淬火、或深冷处理。
      碳化物超标：奥氏体里含碳量过高（碳势过高）、降温过程太慢碳化物析出            

      解决方法：充分扩散、控制降温速度、条件允许的减少渗碳和淬火温差，尽量少用低温或亚温淬火、如果一定要用此工艺时得控制装炉量。大家试想一下:同样设备用920度渗碳820度淬火，装炉量为1000kg和600kg ，降温速度一样吗？需要时间哪个更长？哪个碳化物级别更高？ 

        内氧化：就是钢中的铬锰钼等合金元素与气氛中的氧化性气氛（主要是氧气、水份、二氧化碳）发生反应，使基体中合金元素贫化，导致材料淬透性下降。显微镜下可以看到黑色的网状组织，其实质是基体中的合金元素贫化导致淬透性下降得到的屈氏体组织。

        解决办法是想办法提高介质冷却速度、增强淬火烈度、减少炉内的氧化性气氛（保证渗碳原辅材料的纯度，尽量减少平衡空气的量、控制平衡空气含水量、保证设备不漏气、排气充分）常规设备很难消除，据说低压真空渗碳设备可以完全消除，因为实际没接触过所以不好发表意见。另外，强力喷丸也可以降低内氧化等级。参阅过一些专家的观点，有些认为，在碳氮共渗中通入过量的氨气也会产生严重非马。对此我个人有不一样的看法：或许是因为氨气里含水超标引起？因为手头接触过很多碳氮共渗工艺，检查产品时未发现明显非马组织。（但我不认为这个观点是错误的）国外一些机械行业对内氧化非常重视，特别是齿轮行业。国内一般求其深度不大于0.02mm为合格。    

       非马：渗碳层出现的因渗碳或淬火问题引起的淬火以后表面出现非马马氏体组织，如：铁素体、贝氏体、当然也包括内氧化类型的屈氏体。其产生机理和内氧化相似，解决方法也差不多。  

    这是一个系统问题，也是我们从事热处理的工作人员最头疼的问题。从原材料工艺冷却介质几个方面来保障。