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對(duì)滲碳零件非馬氏體組織的形成機(jī)理進(jìn)行了闡述，試驗(yàn)了內(nèi)氧化、冷卻速度和淬火介質(zhì)對(duì)滲碳零件非馬氏體組織的影響，并依據(jù)筆者一線生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)提出了一些對(duì)策。

普遍的理論認(rèn)為非馬氏體組織是由于晶界內(nèi)氧化使合金元素貧化、淬透性下降導(dǎo)致形成屈氏體類組織。滲碳淬火件的非馬氏體組織包括：表面脫碳形成的鐵素體、表層沿晶界形成的屈氏體，有些鋼種還有貝氏體，以及在不腐蝕條件下所見(jiàn)到的晶界內(nèi)氧化。非馬氏體組織深度如果超標(biāo)嚴(yán)重，反映在力學(xué)性能上就是出現(xiàn)零件表面硬度低的現(xiàn)象。在實(shí)際使用中會(huì)降低齒輪的耐磨性和疲勞壽命，危害比較嚴(yán)重。目前廣泛使用的吸熱式保護(hù)氣氛滲碳和氮-甲醇?xì)夥諠B碳，淬火后零件表面都不同程度地出現(xiàn)黑色組織、黑色網(wǎng)或黑帶，軸類零件和齒輪類零件的齒根部位較為嚴(yán)重。

 1、非馬氏體組織的形成機(jī)理

非馬氏體組織是晶界內(nèi)氧化與合金元素貧化綜合作用的結(jié)果。經(jīng)過(guò)對(duì)黑色組織、黑網(wǎng)或黑帶進(jìn)行金相觀察和物理分析，證明它是奧氏體的分解產(chǎn)物，還有少量O、N、Fe、Mn、Cr 的合金化合物。晶界內(nèi)氧化與爐氣的組分、溫度和工件的材料有關(guān)；從熱力學(xué)角度分析，在常用的熱處理溫度范圍內(nèi)，Al、Ti、Si、Ta、Cr、Mn 和Nb 等合金元素比Fe 對(duì)O 具有更大的親和力，即這些合金元素在熱處理中可能被內(nèi)氧化；W、Mo、Ni 合金元素對(duì)O 的親和力比Fe 要小，含有這些元素的合金鋼內(nèi)氧化傾向較小。因此常用滲碳鋼20CrMnTi 比8620H 和20CrNi3 材料晶界內(nèi)氧化嚴(yán)重。

此外，晶界內(nèi)氧化的快慢還與動(dòng)力學(xué)有關(guān)，氣氛中有一定的碳勢(shì)，就有相應(yīng)的氧分壓。由Sierent 定律可知鋼表面有對(duì)應(yīng)的氧含量，在鋼的表面到內(nèi)部形成氧的濃度梯度而發(fā)生氧的擴(kuò)散。同時(shí)在內(nèi)氧化物形成中還存在著基體中的雜質(zhì)或合金元素的長(zhǎng)程逆擴(kuò)散和富集，內(nèi)氧化層深符合擴(kuò)散定律，并取決于氧和合金元素的擴(kuò)散速度。隨著滲層加深，滲碳時(shí)間延長(zhǎng)，深度增加主要由動(dòng)力學(xué)來(lái)控制，工件在爐內(nèi)停留的時(shí)間越長(zhǎng)，晶界內(nèi)氧化越嚴(yán)重。

晶界的合金元素被氧化后，游離的合金元素濃度下降，它鄰近區(qū)域的合金元素就向晶界擴(kuò)散，擴(kuò)散到晶界的合金元素又被氧化，這個(gè)過(guò)程不斷進(jìn)行，造成了奧氏體晶界以至內(nèi)部合金元素的貧化，其穩(wěn)定性下降。由于晶界的特殊條件，原子排列雜亂，晶界邊緣的奧氏體合金元素在滲碳過(guò)程中易于貧化嚴(yán)重，加上合金元素非自發(fā)形核的作用，晶界易于產(chǎn)生黑網(wǎng)。由于提高淬透能力的合金元素的濃度下降了，因此這個(gè)區(qū)域的淬透性也相應(yīng)下降，導(dǎo)致淬火時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的能力下降，從而出現(xiàn)非馬氏體顯微組織。

 2、非馬氏體組織形成的主要影響因素 

2.1、原料氣中氧化性組分含量過(guò)高的影響

用丙烷制備的吸熱式氣氛作為載氣，要嚴(yán)格控制原料氣丙烷中水和硫的含量以及空氣中水的含量，必須用輔助監(jiān)控裝置露點(diǎn)儀來(lái)嚴(yán)格控制氣氛的露點(diǎn)。氮-甲醇?xì)夥罩?，通常用薄膜或焦炭分子篩制氮，在運(yùn)行初期NH 3 純度能達(dá)99.99%，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)和設(shè)備的老化，NH 3 的純度隨之降低，影響滲碳淬火件非馬氏體顯微組織的控制，最好采用液氮或者嚴(yán)格控制NH 3 的純度；甲醇要嚴(yán)格控制其水、有機(jī)硫和無(wú)機(jī)硫的含量，應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)純凈的甲醇。 

2.2、工件材料的影響

含有W、Mo、Ni 合金鋼的內(nèi)氧化傾向小。鋼中含微量的B 或加入微量Mo 能使C 曲線右移，提高鋼的淬透性，滲碳淬火后非馬組織較淺。在選材時(shí)應(yīng)盡可能選用含W、Mo、Ni 的高淬透性合金滲碳鋼。

 2.3、熱處理工藝的影響

為減少內(nèi)氧化，從工藝方面主要途徑是控制氧、二氧化碳和水的含量，保持爐壓穩(wěn)定，減少工件在爐內(nèi)的時(shí)間，盡早恢復(fù)爐氣并保持控制穩(wěn)定。在加熱前保持零件潔凈，毛坯零件應(yīng)進(jìn)行良好的預(yù)備熱處理，消除鍛造缺陷，選用冷速較快的冷卻介質(zhì)。鋼件滲碳后，適當(dāng)提高淬火加熱溫度，亦可使過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變(TTT) 曲線右移，從而減少非馬氏體顯微組織。

 2.4、設(shè)備密封性的影響

爐子良好的密封性，使?fàn)t外空氣不會(huì)侵入，從而有效減少非馬氏體顯微組織。 

2.5、淬火冷卻介質(zhì)的影響

正確地選擇冷卻介質(zhì)是抑制和減少非馬氏體顯微組織的重要措施，滲碳后的零件采用堿水淬火，黑網(wǎng)幾乎不會(huì)出現(xiàn)。在大批量生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，薄壁零件、環(huán)齒類零件淬火后一般內(nèi)氧化程度輕微，而軸類零件則容易出現(xiàn)黑網(wǎng)。所以在不導(dǎo)致開(kāi)裂和產(chǎn)生嚴(yán)重變形的前提下盡量采取冷卻快的介質(zhì)，對(duì)減少非馬氏體顯微組織非常有利。提高冷卻速度可以從兩方面入手：一是使用冷卻效率高的淬火油或者鹽浴；二是提高淬火時(shí)油的流動(dòng)速度。一般認(rèn)為，油的流速在0.3 ～ 0.5 m/s 較合適，速度太高，易產(chǎn)生工件的陰陽(yáng)面，導(dǎo)致硬度、組織的差異和工件的變形。因?yàn)樘岣哂偷牧鲃?dòng)速度，相對(duì)工件而言實(shí)際只是提高了工件陽(yáng)面和側(cè)面油的流速，工件陰面和死角(如齒根)幾乎沒(méi)有明顯提高；工件的冷卻速度也是如此。

 2.6、爐子氣氛的循環(huán)能力和換氣能力

邊界氣膜層學(xué)說(shuō)是近代氣固相化學(xué)反應(yīng)速度研究領(lǐng)域形成的新學(xué)說(shuō)，它同樣適用于化學(xué)熱處理滲碳。滲碳時(shí)氣氛中的有效成分與工件表面接觸發(fā)生以下反應(yīng)：滲碳淬火件非馬氏體組織形成原因分析及對(duì)策碳被吸收后，殘余氣體會(huì)在工件表面不斷累積，形成一個(gè)中間氣膜層，其主要成分是CO2、H2、H2O。滲碳時(shí)氣氛中的活性成分穿透“中間氣膜層”后才能和工件接觸參與滲碳反應(yīng)。

在中間氣膜層中非滲碳活性成分CO2、H2、H2O 的濃度遠(yuǎn)高于層外?！爸虚g氣膜層”的存在，阻礙著氣氛與工件表面的接觸，從而影響了滲碳反應(yīng)的發(fā)生；同時(shí)，中間汽膜層中主要是氧化性組分，對(duì)晶界內(nèi)氧化非常不利。提高爐子循環(huán)風(fēng)扇的循環(huán)能力，使之破壞氣膜層，增強(qiáng)氣氛與工件的接觸，提高反應(yīng)的有效幾率，對(duì)減少非馬氏體顯微組織非常有利。