混晶是指晶粒度大小不一的混雜在一起。通常把相差3-4級晶粒度的晶粒同時(shí)出現(xiàn)在金相組織當(dāng)中的情況，就認(rèn)為發(fā)生了混晶。當(dāng)大晶粒所占比例超過10%時(shí)，將容易造成機(jī)械零件的早期失效。

以ZF7鋼零件為例，滲碳硬化層深度要求在1.2-1.9mm513HV1，鋼的化學(xué)成分見表1，分析樣品均位于加熱室中心位置（見圖1）。

01 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝，設(shè)計(jì)了4種實(shí)驗(yàn)方案（表2）。  

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：以晶粒度≥5級，可以接受3級和4級的面積百分比不超過觀察視場面積10% , 沒有＜3級的晶粒出現(xiàn)的金相組織判為沒有混晶。

02 實(shí)驗(yàn)

1）慢速升溫的滲碳淬火工藝流程

加熱輸出功率由90%降至75%，升溫時(shí)間4h，經(jīng)940±5℃滲碳840min降溫直接淬火，得到的金相組織存在混晶（圖2），不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的≥5級晶粒度。

2）升溫過程增加770℃等溫后快速升溫的滲碳淬火工藝流程

加熱輸出功率按90%升溫，過程中增加770℃×1h的等溫，升溫時(shí)間2h+770℃等溫1h，經(jīng)940±5℃滲碳840min降溫后淬火，得到的金相組織存在混晶（圖3），不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的≥5級晶粒度。

3）滲碳緩冷+一次加熱淬火

整爐產(chǎn)品經(jīng)940滲碳630min并降溫至880±5℃均熱后，搬入前室緩冷90min，工件溫度降低至300±50℃，再進(jìn)行一次加熱淬火，得到的晶粒度≥5級（圖4），符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4）快速升溫的滲碳淬火工藝流程

整爐產(chǎn)品經(jīng)450℃預(yù)熱處理后進(jìn)爐，加熱輸出功率提高至100%，升溫時(shí)間1.5h，經(jīng)940±5℃滲碳840min降溫后淬火，得到的晶粒度≥5級（圖5），符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

03 討論

1)滲碳后緩冷+一次加熱淬火改善晶粒度

在940±5℃滲碳得到一定滲層和碳濃度梯度后降溫到600℃以下，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w團(tuán)+鐵素體，再加熱到淬火溫度淬火。在降溫過程中奧氏體中的碳化物粒子析出，再次加熱時(shí)，由于加熱溫度遠(yuǎn)低于滲碳溫度，彌散分布的碳化物粒子將不會溶解或少量溶解，對奧氏體晶界產(chǎn)生釘扎作用，限制了奧氏體晶粒的長大。同時(shí)在降溫和升溫的組織轉(zhuǎn)變過程中，奧氏體晶粒得到重新形核長大，滲碳時(shí)產(chǎn)生的不均勻晶粒將得到了改善。

2)快速升溫改善晶粒度

根據(jù)形核長大的相變理論，在Ac1以上一定溫度范圍，奧氏體晶核先在珠光體內(nèi)形成，穩(wěn)定長大至相鄰晶粒的晶界接觸，形成奧氏體初始晶粒。奧氏體初始晶粒度決定于形核率N和長大速度G的比例，加熱速度快，奧氏體形核率大，長大速度相對形核率較小，即形核率N和長大速度G的比值N/G就越大，將獲得更多的起始晶粒。在一定時(shí)間內(nèi)形成晶粒數(shù)量越多，奧氏體晶粒將不可能充分長大。且彌散質(zhì)點(diǎn)的分布有利于阻止晶粒長大，所以均勻細(xì)小的初始奧氏體晶粒在高溫長時(shí)間保溫也不會明顯長大。

04 結(jié)論

1）升溫速度慢、升溫時(shí)間長，升溫過程的某一溫度區(qū)間形核率N和長大速度G的比值N/G小，早形核、先長大的晶粒吞并后形核、未充分長大的細(xì)小晶粒，是導(dǎo)致熱處理后出現(xiàn)混晶的因素之一。

2）采用滲碳緩冷+一次加熱淬火的工藝，能夠避免出現(xiàn)混晶，但增加處理周期和能耗，綜合成本提高。

3）提高預(yù)熱溫度至450℃，縮短在加熱爐的升溫時(shí)間，提高升溫速度，可以避免出現(xiàn)混晶，且處理效率有一定提高，綜合成本降低。