渗碳淬火件表层非马氏体组织形成原因和防止措施

李志义1，李晓澎2

(1.重庆海森机电设备开发公司，重庆　400039；2.重庆建设2雅马哈有限公司焊接科)

　  在渗碳淬火件表面层中经常出现连续或不连续的网状或块状黑色组织，此处恰好是表层压应力最大区域，已被公认是由于内氧化而贫合金化元素导致形成屈氏体类组织，也被称为非马氏体组织。一旦形成此类组织，其后果是降低表面硬度和耐磨性以及疲劳极限。因此国内外知名的车辆制造厂家大都对非马氏体层厚度有明确规定，如德国波尔特、奔驰、宝马公司要求此层厚度必须在3μm以下。一汽集团公司原先规定把此层控制在0.02mm内，现在准备将其减少到3μm以下。但是国内尚有不少工厂未把非马组织作为渗碳淬火件的质量指标。本文的目的是重申此问题的重要性，以引起重视。

1　关于非马氏体组织

渗碳淬火件的非马氏体组织包括表面脱碳形成的铁素体，表层沿晶界形成的屈氏体，有些钢种是贝氏体。非马氏体组织层和钢表面含碳量关系的示意图见图1。有此种组织工件的表层含碳量由表及里成逐渐升高趋势，到最高值后再逐步降至心部含碳量。与最大含碳量位置相对应处也是淬火后最大压应力的地方。

图1　渗碳淬火钢非马氏体组织层和表层碳浓度的关系

2　影响形成非马氏体组织的因素

2.1　渗碳气氛的原料气

用甲烷制备的吸热式气作为载气，由于反应所需的空气量少，产生的含氧气体也少，渗碳淬火钢的非马氏体组织相对较浅。

经过净化的天然气(甲烷)，其中的有机硫含量降至<5mg/m3，无机硫<3mg/m3，可以使非马氏体组织层降至最浅程度。重庆机床厂、青山机械厂、新生劳动厂、丹齿轮实业公司都采用了天然气的除硫措施，都能使渗碳淬火件的非马氏体组织层降至<3μm。

四川有一家工厂，只除天然气中的无机硫，不除有机硫，其锥齿轮在直生式气氛渗碳炉中渗碳18h，淬火后的非马氏体组织层厚40μm。某集团公司的热处理厂用氮+甲醇+丙酮的滴注式渗碳法，所用的氮以空气经薄膜分离法制备，经净化到99199%的纯度。在最初生产的两年期间，渗碳淬火件的非马氏体组织层厚度能控制到<3μm。但随着时间的推移，制氮的膜分离系统和PSA制氮机不能保证正常运行，使产出氮的纯度受到影响。目前渗碳层0.8～1.2mm的工件渗碳淬火后，表层非马氏体组织层厚度达20～30μm。当甲醇含水量大时，非马氏体组织层厚度曾达到40μm，使渗碳淬火件表面硬度明显下降。因此，在滴注式渗碳时，必须严格控制甲醇、煤油等渗剂中的含水量。同理，在碳氮共渗时也要控制氨中的含水量。

2.2　不同渗碳钢种的影响

含Cr、Ti、V钢的内氧化倾向小，钢中含微量硼或加入0.2%～0.4%Mo能使C曲线向右移，提高钢的淬透性，渗碳淬火后表层非马氏体组织层浅。

2.3　热处理工艺和设备

钢件渗碳后，适当提高淬火加热温度，亦可使过冷奥氏体等温转变TTT曲线向右移，从而减少非马氏体组织。充分排除渗碳炉中的残留空气，使渗碳气氛稳定，也能减少渗碳淬火件的非马氏体组织。炉子密封性好，炉外空气不会侵入，也是保证减少非马氏体组织的有效措施。

2.4　淬火冷却介质的影响

渗碳后施行剧烈的淬火冷却可有效减少非马氏体组织，在不导致开裂和产生严重畸变前提下尽量采取冷却快的淬冷介质对减少非马氏体组织有利。用PAG水溶液淬冷比用淬火油有利，用快速淬火油比用普通淬火油有利。

3　结论

减少渗碳淬火件非马氏体组织的措施有：

(1)尽可能用低碳烃和高纯度气体做制备渗碳气体的原料气；

(2)尽可能选用含Cr、Ti、V、Mo的高淬透性合金渗碳钢；

(3)从工艺和设备上采取措施，保证炉气不受空气污染；

(4)尽可能采用激烈的淬火冷却介质和冷却方式。