渗碳件的组织和性能解析

1.渗碳件的组织

20CrMnTi钢渗碳缓冷后的金相组织如图6-8所示。

图6-8 20CrMnTi钢渗碳缓冷后的金相组织 100×

根据表面碳含量、钢中合金元素含量及淬火温度，渗碳层的淬火组织大致可分为两类：一类是表面无碳化物，自表面至心部、依次由高碳马氏体加残留奥氏体逐渐过渡到低碳马氏体；另一类在表层有细小颗粒状碳化物，自表面至心部渗层淬火组织依次为细小针状马氏体+少量残留奥氏体+细小颗粒状碳化物→高碳马氏体+残留奥氏体→逐步过渡到低碳马氏体。合金钢由于含有碳化物形成元素，在渗碳过程中能够形成合金碳化物，反映在金相组织上，在渗碳后的合金钢表面存在或多或少的粒状或块状碳化物，其数量及分布深度与碳化物形成元素的含量、渗碳温度和炉气碳势有关。

2.渗碳件的组织对性能的影响

渗碳件的性能取决于渗碳层组织，也和心部组织有关。为了使工件具有最佳的力学性能，必须根据所用钢种特点，正确进行渗碳和后续热处理操作，把影响工件性能的各种组织结构因素控制在合适的范围之内。

（1）碳化物 渗碳层中的碳化物可以显著提高工件的耐磨性和抗咬合性，但粗大块状或网状碳化物的存在，会破坏基体组织的连续性而引起脆性，使工件表面产生剥落。

（2）残留奥氏体 与马氏体相比，残留奥氏体强度、硬度较低，塑性、韧性较高，因而组织中有一定数量的残留奥氏体，能起到对外力缓冲和使应力分布均匀的作用，增加疲劳裂纹形成和扩展中遇到的阻力，提高钢的断裂韧度，但残留奥氏体量过多，会降低钢的硬度、强度和减少表层残余压应力，从而影响工件使用寿命。

（3）表层碳含量 渗碳层最佳碳含量与工件工作条件有关。一般认为，对于在反复交变载荷下工作的工件，碳含量w（C）以0.80%～1.10%最好，如果低于0.80%，耐磨性和强度不足，如果高于1.10%，则因淬火后表层碳化物及残留奥氏体量增加而损害钢的性能；对于经受剧烈摩擦力作用的模具，为提高其耐磨性，可进行强烈渗碳，使表层碳含量w（C）达2.5%～3.0%。(www.xing528.com)

（4）渗碳层深度 合适的渗碳层深度取决于工件的工作条件及心部材料的强度。重负载工件的渗碳层应该深一些，在工件所受负载相同的条件下，心部硬度（取决于碳含量）较高的工件，渗碳层可以相应地浅一些。在满足工件使用要求的前提下，渗碳层越浅越经济。过多地增加渗碳层深度，会使表面残余压应力降低，工件韧性下降，因而疲劳强度降低。

（5）心部硬度及组织 工件心部硬度主要取决于钢的碳含量。根据长期实践中积累的数据，汽车齿轮牙齿心部的硬度以33～48HRC为宜，与此对应，渗碳钢的碳含量w（C）以0.17%～0.24%为佳。合适的心部组织应为低碳马氏体、贝氏体或索氏体（取决于工件尺寸及钢的淬透性），不允许有大块、多量的铁素体存在。

低碳锰钢渗碳后渗碳层的碳含量和硬度分布曲线如图6-9所示。

图6-9 低碳锰钢渗碳后渗碳层的碳含量和硬度分布曲线

a）碳含量分布曲线 b）硬度分布曲线

注：1.渗碳工艺为900℃×2.3h；834℃油淬。

2.心部化学成分（质量分数，%）为：C0.24，Mn1.32。