硼钢碳氮共渗黑色组织的研究

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1985.01.017 北京钢铁学院学报 1985第1期 硼钢碳氮共渗黑色组织的研究 南昌齿轮厂吴锦尧陈治国冯锐林* 北京钢铁学院褚幼义贺信莱酱* 摘要 硼钢碳氨共渗工艺控制不当时，容易在共渗层中出现表层和过渡区两类非马氏体黑色组 织，它们的出现是渗层相应部位上淬透性不足的表现。这两类黑色组织产生的原因不同，因 而工艺因素的影响也不尽相同。前者主要是由于合金元素的内氧化以及碳、氮化合物形成所 引起的，后者是由于硼在渗层中发生了再分布以及硼的存在状态发生明显变化所引起的。 综合考患避免硼钢碳氨共渗层的两类黑色组织，较合理的工艺是：采用较高的共渗温 度，后期通氨，共渗期油量高些、氨量低些，渗后尽快冷却。 一、前 言 硼钢具有较好的综合机械性能，使用25 MnTiBR、20Mn2TiB、20MnVB和20Mn MoB等钢种制造拖拉机和汽车的传动齿轮，具有寿命长、成本低等优点，可在生产中代替 18 CrMnTi和22 CrMnMo钢制造渗碳齿轮。据南昌齿轮厂药计，近年来已使用25 MnTiBR 钢一万四千吨，生产十一种机型八十三个品种的齿轮、齿轮总数超过二百五十万件。 为了减少硼钢渗碳齿轮的变形和发挥其心部强度较高的特点，采用碳氮共渗工艺是进一 步发挥硼钢潜力的一个重要途径：。)。 但是生产实践表明，碳氨共渗要在齿轮硼钢中推广应用，必须解决共渗层黑色组织缺陷 问题。硼钢碳氮共渗时，如果工艺控制不当，在共渗层中易于出现非马氏体组织。因为它们 经轻腐蚀后颜色比正常渗层组织（马氏体+我余奥氏体）黑，所以统称为黑色组织。按其出 现部位的不同可以分为两大类： (1)表层黑色组织：按其形态的不同可分为表面黑带（图1a)和表面黑网（图1b),表 面黑网有时从最表面开始形成，有时则紧接着表面黑带呈连续或断续网状向里延伸，严重时 深度甚至大于0.20mm。有的试样抛光后未经浸蚀就能观察到表面黑色组织，它的分布形式 一般是沿晶界呈点、条状、浸蚀后色调加深，范围扩大； (2)过渡区黑色组织（图1c):当共渗层深度为0.7~1.1mm时，一般出现在距渗层表 面0.2~0.5mm范围内，呈连续或断续网状分布。 南昌齿轮厂热处理车间和中心试验室试验组以及南昌齿轮研究所金属材料组参加了 试验工作，西安交通大学张建忠、冯忠信参加了部分试验工作。 北京钢铁学院华业生洪强参加了部分试验工作。 35

北 京 钢 铁 学 院 学 报 第 期 硼钢碳氮共渗黑色组织的研究 南 昌 齿 轮 厂 吴锦尧 陈治 国 冯锐 林 关 北京钢铁 学院 褚 幼义 贺信莱科 摘 要 硼 钢碳 氮共渗 工 艺控制 不 当时 ， 容 易在共渗层 中出现表层和 过渡 区 两 类非 马 氏体 黑 色组 织 ， 它 们 的 出现 是渗层相应部位 上淬透 性不足 的 表现 。 这两 类黑 色组 织产生 的原 因不 同 ， 因 而 工艺 因素 的影 响也 不尽相 同 。 前 者 主要 是 由 于合 金元 素 的内氧化 以 及碳 、 氮化合 物形 成所 引起 的 后者 是 由于 硼 在渗层 中发生 了再分布以 及硼 的存在状 态 发生 明显变化所 引起 的 。 综合 考虑 避 免 硼钢碳 氮共 渗层 的两 类黑 色组织 ， 较合 理 的工 艺是 采 用 较高 的共渗 温 度 ， 后 期通 氨 ， 共渗 期油 量 高 些 、 氨量低 些 ， 渗后 尽快 冷 却 。 诌介 门 选 ， 、 嘴二 硼 钢具 有较好 的 综合 机械性 能 ， 使 用 、 、 和 等钢 种 制造拖 拉机和 汽车的 传 动 齿轮 ， 具 有寿 命长 、 成 本低 等优点 ， 可 在生产 中代替 和 。 纲制造 渗碳 齿轮 。 据南 昌齿轮厂 统 计 ， 近 年来 已使用 钢 一 万 四 千 吨 ， 生 产 十一 种机型八 十三 个品种 的 齿轮 ， 齿轮 总数 超过二 百五 十万件 。 为了减 少硼 钢 渗碳 齿轮 的变形和 发挥 其 心部 强度较高 的 特点 ， 采 用碳 氮共渗工 艺是进 一 步 发挥 硼钢 潜力 的一个 重要 途径 ’ · ， 。 但 是生产 实践 表明 ， 碳 氮共 渗要 在 齿轮硼 钢 中推广 应 用 ， 必须解 决共渗层黑 色组织 缺 陷 问题 。 硼 钢碳 氮共 渗 时 ， 如果 工 艺控 制 不 当 ， 在共渗 层 中 易于 出现 非马 氏体组织 。 因为它 们 经轻腐蚀 后 颜 色比正 常渗层组织 马 氏体 十 残余奥 氏伪 黑 ， 所 以 统 称 为黑 色组 织 。 按 其 出 现部位 的 不 同可 以 分为 两大 类 表层 黑 色组织 按 其 形 态 的 不 同可 分 为表面 黑带 图 和 表面 黑 网 图 ， 表 面黑 网 有时 从最 表面 开 始形成 ， 有时则 紧接 着 表面 黑带 呈 连 续或 断 续网 状 向里延伸 ， 严 重 时 深度 甚至大 于 。 有 的 试 样抛 光后未经 浸 蚀 就 能 观察 到 表面 黑 色组 织 ， 它 的 分布形 式 一般 是 沿 晶界 呈点 、 条状 、 浸 蚀后 色调 加 深 ， 范 围扩大 过 渡区黑 色组织 图 当共 渗层 深度 为 一 时 ， 一 般 出现在距渗层 表 面 一 范 围 内 ， 呈连 续或 断 续网状 分 布 。 南 昌齿 轮厂 热处理 车 间和 中心 试验 室 试验 组 以及 南 昌齿轮研 究所 金 属材料 组 参 加 了 试验 工 作 ， 西 安 交通 大 学 张建 忠 、 冯 忠信 参 加 了部 分试验 工 作 。 北 京 钢铁 学 院 毕业 生洪 强 参加 了 部分 试验 工 作 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1985．01．017

(a)表面黑带400× (b)表面黑网400× 图1硼钢碳氮共渗层中的黑 色组织 (c)过渡区黑色组织150× 对于含Cr、M、Ti、B等合金元素的钢，经碳氮共渗后出现的表层黑色组织，人们已 经做了大量的研究工作(2一)，证实表面黑色组织主要是由于合金元素的内氧化以及碳化物 和氮化物形成所引起的，·并提出了从工艺上通过控制共渗温度、供氨规程、表面氮浓度以及 选用合适的淬火介质等措施来加以解决。 至于硼钢碳氮共渗层过渡区容易出现黑色组织的问题，虽然在生产中早已发现，但对它 还未见国内外有系统研究工作的报导。本文针对硼钢特点，区分了两类黑色组织，重点对过 渡区黑色组织产生的原因及其工艺控制措施进行了研究。关于硼在渗层中的行为及其对渗层 淬透性的影响将在另文()中详细研究和讨论。 二、试验工作 1.试验用钢 试验用25 MnTiBR钢，其化学成分见表1。 表1 试验用25 MaTiBR钢的化学成份(%) 元素 C Mn Si P Cr Ni Cu Ti B RE 成份 0.25 1.55 0.33 0.012 0.02 0.02 0.05 0.14 0.097 0.0027 0.0020 36

表面 黑 带 表 面黑 网 硼 钢碳 氮共渗层 中的黑 色组 织 过 渡 区黑 色组 织 对于 含 、 、 、 等合 金元素 的 钢 ， 经 碳氮共渗后 出现的 表层黑 色组织 ， 人们 巳 经做 了大量 的 研究 工 作 《 “ 一 ’ ， 证 实表面 黑 色组织主 要是 由于 合 金 元素 的内氧 化以 及碳 化物 和 氮化物 形成所 引起 的 ， 并提 出了从工 艺 上通 过控 制共渗 温度 、 供氨规 程 、 表面 氮浓度 以 及 选 用合适 的 淬火介质 等措施来加 以解决 。 至于 硼钢碳 氮共渗 层过渡区容易 出现黑 色组织 的问 题 ， 虽然在生 产 中早已发现 ， 但对它 还 未见 国 内外有 系统研究 工 作 的报导 。 本文针对珊钢 特点 ， 区 分 了两 类黑色组织 ， 重点 对过 渡区黑 色组织 产生 的 原 因及其工 艺控制措施进 行 了研究 。 关于砚在渗层 中的 行为及其对渗层 淬透性 的影 响将在 另文 ’ 中详细研究 和讨论 。 二 、 试验工 作 试 验用钢 试 验用 钢 ， 其 化学成分见 表 。 表 试验 用 钢 的 化学 成份 三 成份 红二“ · “ 叮‘ · …“耳· ” ” …”早· ” ‘ “ “仁· ” ”耳· ” ” ”耳· ” ” 。可· 不· ”下” · 不万· ”

2.碳氨共渗工艺 在RJT-75井式气体渗碳炉中进行碳氮共渗，共渗剂为煤油和氨气，工艺曲线如图2所 示。 a一装炉，b一到共渗温度 c一关闭试棒孔（开始共渗期） A B C d一出炉，A一供早期氢 排气期 共渗期 B一供排气氨： C一供共渗氨： 时间 图2气体碳氮共渗工艺曲线 试验首先研究了早期供氨量对表层黑色组织的影响。然后按正交设计试验法()，研究 排气氨量、共渗氨量、共渗油量、共渗温度，这四个主要工艺参数的影响。用L1。(4°)正交 表安排了十六炉试验(A组，见表3)，研究工艺因素对碳氨共渗层黑色组织的深度、有效 层深度和表面硬度的影响。用L(3)正交表安排了九炉试验(B组，见表4)，进行剥层 化学分析，测定渗层淬透性，用高分辨率的经迹显微照相技术显示硼在渗层中的分布，研究 硼在渗层中的行为及其对渗层淬透性的影响。 在上述正交设计试验中，其它工艺因素统一规定如下：排气油量250d/min(d一滴)： 升温阶段不供氨，上区到温开始供给排气氨，共渗时间3小时。 3.试验方法 碳氨共渗后，除进行常规的渗层金相观测和硬度测定外；还放入试样进行剥层化学分 析，测定沿渗层深度的碳、氨、总硼(B:)、酸溶硼(Bs)以及锰、钛、硅浓度的变化，用 硼的经迹显微照相技术显示硼在渗层中的微观分布状态，用渗层淬透性试验测定沿渗层深度 淬透性的变化。剥层化学分析、径迹显微照相和渗层淬透性试验的细节详见另文()。 此外，还测定了沿渗层深度硬度的变化。十六炉(A组)试验在渗层金相试样上用显微 硬度（负荷100g)测定。九炉(B组）试验在斜 金相试样 剖硬度试样上测定。以硬度从表面降低到相应于 HRC=50处的距离作为碳氮共渗的有效层深。 100 -15 斜坡试样的尺寸见图3。表面光洁度要求77。 碳氮共渗处理后，经180℃2小时回火，然后将试样 的斜面磨平，磨削时充分冷却，其深度h<2mm, 3斜剖试样尺寸 用维氏硬度（载荷5kg)在磨面上测定相当于不同渗层深度处的硬度。 三、试验结果 1.排气阶段供早期氨的影响 排气阶段早期氨量对产生表层黑色组织影响的结果列于表4。 结果表明，早期氨量对产生黑色组织有显著影响，随早期氨量增加黑色组织的深度明显 增加，所以在以后的试验中排气阶段不供早期氨。 2.十六炉碳氮共渗试验结果(A组) 、 用正交设计试验法按L1。(4)正交表安排的十六炉试验结果列于表3。 37

碳 氮共渗工艺 在 一 了 井式 气体渗碳 炉中进 行碳 氮共渗 ， 共渗剂为煤油和 氨气 ， 工艺 曲线如图 所 刁丈。 一装炉 一 到共渗温 度 一 关 闭试棒 孔 开始共渗期 一 出炉 一供 早期 氨 一供 排气氨 一供 共渗氮， 诱协、 一 ﹀ 、 ，‘， 褪蛆 妇卜气期 共 渗 期 时间 图 气体碳 氮共渗工 艺 曲线 试验 首先 研究 了早 期供 氨量 对 表层 黑 色组织 的 影 响 。 然 后按 正交 设计试 验法 吕 ， 研究 排 气氨量 、 共渗氨量 、 共 渗油 量 、 共渗 温度 ， 这 四 个主 要工艺 参数 的影响 。 用 。 “ 正 交 表安排 了十六炉试验 组 ， 见 表 ， 研究 工 艺 因素对碳 氮共渗层 黑 色组织 的 深度 、 有效 层 深度和 表面 硬度的影 响 。 用 。 ‘ 正 交 表安排 了九炉 试验 组 ， 见 表 ， 进 行剥层 化学 分析 ， 测 定渗层 淬透 性 ， 用 高 分辨率 的经 迹 显微照 相技术 显示 硼在 渗层 中的 分 布 ， 研究 硼 在渗层 中的 行 为及其 对渗层 淬透 性 的影 响 。 在 上述正 交设 计 试验 中 ， 其它 工艺 因素统一 规 定如 下 排 气油 量 一 滴 升 温阶段 不供 氨 ， 上区 到 温开 始供 给排 气氨 共渗 时 间 小 时 。 试验方法 碳氮共渗后 ， 除进 行 常规 的渗层 金相 观 测和 硬度测定外 还放入试样进行 剥层化 学分 析 ， 测 定沿渗层深度的碳 、 氮 、 总硼 ， 、 酸 溶硼 以 及锰 、 钦 、 硅饭度 的 变 化， 用 硼 的经迹显微照 相技术显示 硼 在渗层 中的 微 观 分布状 态 ， 用 渗层 淬透性试验测定 沿渗层 深度 淬透 性 的变 化 。 剥 层 化学分析 、 径 迹 显微照 相 和 渗层 淬透 性试 验 的 细节详见 另文 。 此外 ， 还 测定 了沿渗层 深度 硬度 的 变 化 。 十六炉 组 试 验在 渗层 金相 试样 上用显 微 硬度 负荷 测定 。 九炉 组 试 验 在斜 金相试徉 剖硬度试 样 上测 定 。 以 硬度 从表 面 降低 到 相应于 处 的距 离作为碳 氮共渗的 有效层 深 。 斜坡试样 的尺寸见 图 。 表面 光洁 度要 求 。 碳 氮共 渗处 理后 ， 经 ℃ 小 时 回火 ， 然 后 将 试样 的 斜面磨平 ， 磨 削时充 分冷却 ， 其深度 ， 汀 「 ‘ ’ “ 它 口 一 军 斜 剖 试样尺 寸 用 维 氏硬度 载荷 在磨面 上测 定相 当于 不 同渗层 深度处 的 硬度 。 三 、 试验 结果 排 气阶段供早期氨 的影 响 排 气阶段早期 氨量 对产生 表层黑 色组织 影 响 的结果 列 于 表 。 结果 表 明 ， 早期累量 对产生黑 色组织有显著 影 响 ， 随早 期氨量增加黑 色组织 的深度 明显 增加 ， 所 以 在 以后 的试 验 中排气 阶段 不供早 期氨 。 十六 炉碳 氮共渗试验 结果 组 用正 交设 计试验法按 ，。 正 交表 安排 的 十六 炉试 验结果 列 于 表

表2 排气阶段早期氨量对表层黑色组织的影响 早期氨量 表 层 黑 色 组 织 m3/h 平均深度 深度范围 试验炉数 mm mm 形 态 1 0.208 0.120.28 黑带+黑网 7 0.49 0.049 0.037-0.061 黑网 2 0 0.017 0-0.03 黑网 注：共渗温度8500，共渗氨量0.17m31h,共渗油量110一120d/min。 表3 A组碳氮共渗工艺〔L1。(45)及实验结果 数 工 艺 参 数 表层浓度(%)① 渗层深度 次 共渗温度 排气氨量 共渗氨量 共渗油量 m3/h m 3/h 碳 氮 mm .0 d/min 870 0.005 0.005 120 0.995 0.0688 0.96 A2 870 0.02 0.06 80 1.075 0.139 1.04 3 870 0.04 0.04 1 1.08 0.194 0.87 A 870 0.06 0.02 40 1.21 0.076 1.04 860 0.005 0.04 80 1.02 0.226 0.87 A 860 0.02 0.02 120 1.12 0.084 0.89 860 0.04 0.005 40 1.12 0.043 0.87 860 0.06 0.05 160 1.10 0.209 0.96 850 0.005 0:06 0 0.99 0.24 0.95 10 850 0.02 0.005 160 1.003 0.04 0.70 A1 850 0.04 0.02 80 1.111 0.143 0.81 850 0.06 0.04 120 1.10 0.269 0.87 A 13 840 0.005 0.02 160 1.16 0.099 0.78 14 840 0.02 0.04 0.918 0.307 0.87 A16 840 0.04 0.05 128 1.011 0.337 0.70 A18 840 0.03 0.005 80 1.00. 0.101 0.78 炉 渗层黑色组织及分布深度， mn m 育 效 层深 表面硬度 次 表 面 表 过渡区黑网 层深度 有效层深度 橡度总深度， % HRc 网 宽（起~止） mm 0 0.015 0 0.85 88.5 62.1 0 0 0 0.80 77 62.7 A 0 0.012 0 0.60 69 59.1 A 0 0.021 0.81 77.8 60.5 0 0 0.15(0.380.53) 0.54 62 61.2 0.009 0.018 0.12(0.260.38) 0.57 4. 11 59.2 0 0 0 0.77 88.5 62 0 0.031 0.25(0.290.54) 0.57 59.4 57.8 0 0.046 0.20(0.260.46) 0.71 74. 59.1 A10 0.009 0.034 0.21(0.210.42) 0.59 84. 59.8 11 0 0.021 0.27(0.240.51) 0.63 77.8 58 A 0 0.061 0.15(0.340.49) 0.58 66, 7 59.7 13 0 0 0 0.61 78.2 59.7 A14 0 0.012 0.32(0.15~0.47) 0.52 A 16 0.015 0.13 0.30(0.260.56) 0.46 56.7 54.4 A18 0 0 0.27(0.150.42) 0.47 60.3 56.4 注： ①表层浓度系指剿层化学分析第一层(0~0.03mm)的分析结果， 只有A1护的氮 浓度是第二层(0.03~0.06mm)的分析洁。 38

表 排气阶段早 期氨量 对表层黑 色组织 的影 响 早 期 氨 表 层 黑 色 组 织 度 深度 范围 试 验 炉 数 形 态 共渗氮量石 一 一 一 黑带 十 黑 网 黑 网 黑 网 注 共渗温 度 。 众 ， 了 ， 共渗油量 一 。 表 组碳 氮共渗工艺 。 〕及实验结果 工 艺 参 数 表层浓度 ① 渗层 深度 共渗， 温度 及 排气氨量 共 渗氨量 吕 共渗油量 炉次 八﹄明土︺工甘︸︸︸ 口口叮︺︸‘︵诊 任行卜︺︺叮人厅廿门﹄比序‘土八‘了‘才月 了 二 ， 八甘︺﹃︸︸，﹄ 曰自自任﹃七勺，口八介丹一︺门︸月月‘ 勺﹄﹄公尸一︸ … ‘ 八甘八甘甘八︸﹃鹿一︸︸﹃ 自八自甘山任任八‘压八甘匕八八月， 匕卜口︸﹄工︸ 八八甘乃口︺︸甘︺﹄ “︸甘八 … 八八曰甘甘︺︸︺︸︸ 名‘甘 渗层黑 色组 织 及 分布深度 ， 表 面 黑表 面网 黑 带 过 渡 区 黑 网 宽 起一止 次炉 曰，件，，舀， …… 交心城叮八﹄口︸口卜 斤曰任厅了‘行︸嘴一宁八了乃才月 亡︺八匕卜勺﹄匀八尸产 自，曰今山八甘八‘ 行任丹任内勺‘户月 … ， 八日”︵八︺︵︸︸﹄八 ﹄ 叮行八片任︶谊了月月 …… 口匕﹄匀尸归︸氏勺八众伙︵月 行土目了一一﹄了︸几吕寸八」 厅 歇屯八己甲，八口匕内氏二八亡‘几 一 ‘ 三二二已 ‘石， 二‘三已‘ 诬犷芯蓑蓄掖窗到爵滩 花学芬挤第一 ’ 层 ’ 一 二 的分析 结果 ， 只 有 】 护 的氮 浓度是 第 二 层 一 的分析 结

3.九炉碳氮共渗试验结果(B组) (1)用正交设计试验法按L。(3)正交表安排的九炉试验结果列于表4。在讨论中直规 分析了工艺因素的影响。 表4 B组碳氮共渗工艺(L。(3))及实验结果 N 艺 参 数 表层浓度(%)① 渗层淬透性（半马一 炉 渗层深度 氏体距离，mm) 次 共渗温度排气氨量共渗氨量共渗油量 0 m3/h m3/h d/m in 碳 贰 mn m 表层① 过渡区 最低值 B 870 0.005 0.03 100 0.94 0.100 0.74 10.7 8.6 B2 870 0.03 0.06 40 0.92 0.160 0.81 11.3 6.8 B3 870 0.06 0.005 160 0.96 0.067 0.81 10.3 8.5 B. 860 0.005 0.06 160 0.94 0.105 0.82 6.7 9.3 Ba 860 0.03 0.005 100 1.10 0.060 0.81 10.0 7.5 Be 860 0.06 0.03 40 0.94 0.120 0.81 8.9… 7.2 B2 840 0.005 0.005 40 0.91 0.064 0.66 9.0 7.3 Ba 840 0.03 0.03 160 0.91 0.127 0.59 8.0 8.5 840 0.06 0.06 100 0.92 0.200 0.66 7.0 6.6 注：①表层浓度是距表面0.06mm处的浓度。 (2)渗层内成分和硼分布的变化 碳氮共渗层的剥层化学分析结果与前十六炉的结果相似，其典型结果见图4和b,,经迹 显微照象显示硼分布的典型结果见图4c。由图可见，在渗层范围内硼发生了明显的再分布， 渗层中的硼向表面富集，造成次表层硼的贫化。由于氮的渗入，渗层中产生大量的BN,有 效硼明显地减少，有的部位少到小于化学分析的精确度(5ppm)。 (3)渗层淬透性 实验采用距表面不同深度磨面上测得的半马氏体距离来表征渗层淬透性。半马氏体距离 按端淬硬度曲线的拐点得出。图5是淬透性随渗层深度变化的典型结果。图6是把图5中的 横坐标换算成渗层不同深度处的(C+N)浓度，以便比较不同共渗工艺的影响。 如图所示，硼钢经碳氨共渗后，渗层淬透性发生显著变化，主要表现为：在某些工艺尔 件下表面层的淬透性明显降低(B,和B。炉)，出现低头；而在另外一些工艺条件下次表层 的淬透性明显降低出现凹谷(B,和B,炉)，与出现表面层和次表层黑色组织的位置相对应 (对照图4d和)。为此可以用表层半马氏体距离和次表层半马氏体距离的最低值这两个参 数来表征碳氨共渗层的淬透性。表4中给出了不同碳氮共渗工艺对这两个参数的影响。 (4)渗层硬度分布 斜剖硬度试样测得的沿渗层不同深度处的硬度变化曲线示于图7。共渗后，除B,、B,两 炉为160热油淬火外，其余各炉均为冷油淬火。由图可见，渗层硬度的变化与淬透性的变 化有相应的趋势。B,炉表面淬透性较低，硬度有低头，但过渡区的淬透性较高，在该地区保 持高的硬度，有效层深宽，占总层深的85%。然而B:炉相应于过渡区淬透性的低谷处，硬 度发生突降，使整个渗层硬度曲线明显低于B。炉，有效层深浅，占总层深的69%。B。炉由 39

九炉碳氮共渗试验结果 组 用正 交设计试验法技 ‘ 正 交表安排 的 九炉试 验结果列于 表 奋在讨论 中直 规 分析 了工艺 因 素 的影响 。 表 组碳 氮共渗工 艺 。 店 〕及 实验 结果 工 艺 参 数 表层浓度 ①…渗层 深度 渗层 淬透 性 半马 氏体距 离 ， 排 气氨量 共渗氨量 共渗 油 量 “ 名 。 氮 ‘ 表层 ① 过渡 区 最低值 闻必一上口。，︺ 性乏一任自八︺月勺‘ 一八上︺八甘 八甘甘 八 。 工 · 李 ‘ “八︸ 口八叮 八 八门 ︸﹁ 甘 自， 。 ﹃。 注 ① 表层浓 度是距 表面 处的浓 度 。 渗层 内成分和 硼 分布的变 化 碳 氮共渗层 的剥 层化 学分析结果 与前十六炉的结果 相似 ， 其典型 结果 见 图 和 ， 径迹 显 微照 象显示硼 分布的典型 结果 见 图 。 由图可见 ， 在渗层 范围 内硼 发生 了明显 的再分布 ， 渗层 中的硼 向表面 富集 ， 造 成次表层硼 的 贫化 。 由于 氮的 渗 入 ， 渗 层 中产 生 大量 的 ， 有 效硼明显地减 少 ， 有 的部位 少到小于 化学 分析 的精确度 。 渗层 淬透 性 实 验采 用距 表面 不 同深度磨面 上测得 的半 马 氏体距 离来 表征渗 层 淬透性 。 半 乌氏体距离 按端 淬硬度 曲线 的 拐点得 出 。 图 是 淬透 性 随渗层深度变化的典型结果 。 图 公 、 是把图 气中的 横 坐标换算成渗层 不 同深度处的 浓度 ， 以 使比 较 不 向共渗工艺的影响 。 如 图所 示 ， 硼 钢经碳 氮共渗后 ， 渗层 淬透 性发生显著 变化 ， 主要 表现 为 在某 些工 艺条 件 下表面层 的 淬透 性 明显 降低 ‘ 和 。 炉 ， 出现低头 而在 另外一 些工 艺条件 下次春层 的淬透 性明显 降低 出现 凹 谷 和 炉 ， 与 出现表面层和 次 表层黑 色组织 的位 晋 柑菇、 对照 图 和 。 为此可 以 用表层半 马 氏体距 离和次表层半马 氏体距 离的最低值这两个参 数来 表征碳氮共渗层 的淬透 性 。 表 中给 出了 不 同碳氮共渗工 艺对这 两个参数 的影响 。 渗层 硬度 分布 斜剖硬度试 样测得 的 沿渗层 不 同深度处的 硬度变化曲线示于 图 。 共渗后 ， 除 ， 、 。 两 炉为 及 热油 淬火外 ， 其余 各炉均为冷油 淬火 。 由图可见 ， 渗层 硬度 的变 化 与淬透性的变 化有相应 的 趋势 。 炉表面 淬透 性较低 ， 硬度有低头 ， 但过渡区 的 淬透性较高 ， 在 该地区保 持高 的 硬度 ， 有效层 深宽 ， 占总层 深的 。 然而 护相应 于过 渡 区 淬透 性的低 谷今 硬 度 发生 突降 ， 使 整个渗层 硬度 曲线 明显低 于 ‘ 炉 ， 有效层 深浅 ， 占总层 深 的 。 。 炉由

Mn Si Ti Ma -1.6 0.6 -1:5,0,40p.11 -1.4,0.35,0.10 N% 0.5 Ti Si (a)渗层中碳，氮、 0.200.4 -1.3,0300.09 锰、硅和钛浓度的 0.0.3 变化 N 0.100.2 .050.1 0 00010.20.30.4o.50.60.70.8.0.9…i.0 距表面的距离mnt ppm 604 50l 40 908 ))渗层中酸溶硼(Bs)和总瑞 20 (B:)浓度的变化 10 0.10.20.30.40.5 0.60.70.80.91.0 距表面的距离m (c)径迹显微照象显示硼的分 布100× 40

玩 声 ， 几临氏 ， 。 渗层 中碳 、 氮 、 锰 、 硅 和 钦浓 度 的 变化 伏 距 表面的距 离 争 石 ， 〕 渗层 中酸溶 硼 和 总姗 ， 浓 度的 变 化 即幼加刘 。 。 ’ 币了亏 ’ 饭 、 介 吞落 刀 下发 距 表面的距 离 ， 径 迹 显微 照 象显 示 硼 的 分 布

8/ 4 2 0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0 距表面距离mm (d)渗层淬透性曲线 (e)渗层过渡区的黑色组织100× 800 700 800 500 300 ()渗层硬度变化曲线 200 100 0 0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0 距表面的距离mm 图425 MnTiBR钢碳氮共渗处理(B8炉)后，渗层 的刺层化学分析、珊的微观分布、淬透性、黑色 组织及硬度变化之间的对应关系。 41

帐 曰 ‘ … 占二舀‘ ，占‘，勺‘甘 任注 帆价升长出留 厄 距表面距 离 渗层淬透性 曲线 弓 饭 囊馨鑫翼孰譬 、 薰摹霎 之年之 鬓 羹黝 渗层过 渡 区 的黑 色组 织 渗层硬 度变化 曲线 距 表面 的距离 曦 图 钢碳氮共渗处理 炉 后 ， 渗层 的 刹层化 学分 析 、 硼 的微观分布 、 淬透 性 、 一 黑 色 组 织 及硬 度变化之 间的对应 关系

161 14 12 B4 10 88 图525 MnTiB钢(B:,B.和Bs B2 炉)半马氏体距离随渗层深 度的变化曲线。 2 0.10.20.30.40.5060.70.80.9 距丧面距离(mm) 16 14以 12 88 图625 M nTi BR钢(B:、B,和 B2 B,炉)半马氏体距离随渗层 不同深度处碳+氮浓度的变 化曲线。 1.11.00.90.80.70.80.50.40.30.2 (C+N)% 900 800 700 600 HRc=50mm B4(0.70) 4 500 -B2(0.56) 400 B8(0.12) 图725 MnTiBR钢(B2、B,和 B。炉)沿渗层不同深度处的 30GH 硬度变化曲线，括号内的数 200 值为有效层深度 100 0 0.10.20.30.40.50.60.70.80.9 距表面的阻悠、：mm 42

日 自尸 一 日 图 钢 、 ‘ 和 。 炉 半马氏体 距 离 随渗层 深 度 的变化 曲线 。 七内‘ 好，‘ 被汤出绷升口 ， ， ‘ 连 表面距离 功 日白 图 钢 、 和 。 炉 半马 氏体距 离随渗层 不 同深度处碳 十 氮浓度的变 化 曲线 。 引川 崔级诊虹嘟扑 已。召、助 图 钢 、 ‘ 和 。 炉 浴渗层不 同深 度处的 硬 度变化 曲线 ， 括号 内的数 值为有效层深度 工卜创职降出

于热油淬火，过渡区硬度陡降表现得更明显，在该处相应出现明显的非马氏体组织（对照图 4d、e和f),有效层深仅为0.12mm,占总层深的20%。 四、讨 论 1.渗层淬透性与硼钢碳氨共渗渗层黑色组织 渗层淬透性是指工件经化学热处理后进行淬火时，渗层不同深度处，材料获得马氏体组 织的能力。与心部相比，由于碳氨共渗过程中发生的各种物理化学变化，因而影响渗层淬透 性的因素就复杂得多。特别是表层和次表层的碳、氮、锰、硼等元素的含量及其存在状态的 变化均会带来显著的影响(7.9)。 本文采用“半马氏体距离一~渗层深度关系曲线”来表征渗层范围内淬透性的变化。若用 淬透性曲线上至HRc50处的距离(HRc50等硬度曲线)来表示和研究渗层淬透性，则由于 沿共渗层深度碳氮含量有显著的变化，某一位置处的硬度值不仅取决于马氏体的数量，而且 与碳、氨含量密切相关。·因而后者不能准确地和全面地反映出渗层范围内淬透性的变化，特 别是将其与非马氏体黑色组织的出现相联系时就更有它的局限性。例如，在含碳：量较低的部 位即使全部得到马氏体，其硬度值也可能达不到HRc50,但实际上该处的淬透性可以是很高 的。采用半马氏体距离作为指标，则不存在这个问题。它可以比较好地与渗层非马氏体黑色 组织出现的倾向性紧密联系起来。图8给出了B8炉的“HRc50等硬度曲线”。与图4d对比 可见两者沿渗层深度的变化趋势，特别是在过渡区范围内的变化趋势有明显的差异。半马氏 体距离关系曲线上出现的凹谷与黑色组织出现的部位一一对应（对比图4d和e),然而图8 则不行。因此测定“半马氏体距离一一渗 层深度曲线”对深入研究产生黑色组织的 原因、调整和控制碳氮共渗工艺是十分電 日30 要的。 25 由图5可见，硼钢碳氨共渗后渗层淬 20 透性曲线上有两个区域的变化趋势是值得 注意的：一是表层淬透性“低头”，二是 15 过渡区“四谷”，它们分别与袭层黑色组品1 织和过渡区黑色组织相对应。 OUH 表层淬透性出现“低头”的原因，主要 是由于内氧化使合金元素贫化的结果3。 0.10.20.30.40.50.60.70.8 碳化物和氨化物的析出也会带来不利的影 距表面的距离，团 响。花25 MnTiBR钢碳氮共渗后出现明 图8B8炉的“HRc50等硬度曲线” 显黑色组织的试样上，抛光后未经腐蚀往往可以发现-一些呈点、条状分布的黑色粒状物。曾 用电子探针定点分析，鉴定它们主要是MnF©2O4型的化合物。化学分析结果表层有贫锰和 贫硅现象（见图4ā)。此外径迹慰微照象和硼的化学分析结果表明，表层席硼，出现大量硼 化物颗粒（见图4b和心）。所奇这些都是导致朗钢表层淬透性障低的原因。可以根据这些原 因来分析影响袭层黑色组织产生的一系列工艺因素。例如，排气阶段早期供氨量多会促使产 生严重的黑色组织，这是因为排气升温阶段炉内CO2较多，供氨量增加时炉气中的水汽含量 增加，露点升高，内氧化加剧，基体合金元素贫化严重【3，从而导致表层淬透性下降。 43

于热油 淬火 ， 过 渡 区硬度 陡降表现得 更 明显 ， 在 该处相应 出现 明显 的非马 氏体组织 对照 图 、 。 和 ， 有效 层深仅 为。 ， 占总层 深 的 。 四 、 讨 论 渗层淬透 性 与硼 钢碳 氮共 渗渗层 黑 色组织 渗层 淬透 性 是指 工件 经 化学热 处理后进 行 淬火 时 ， 渗层 不 同深度处 ， 材 料获得 马 氏体组 织 的 能力 。 与心 部相 比 ， 由于碳 氮共渗 过程 中发生 的 各种 物 理 化学变 化 ， 因而影 响渗层淬透 性 的 因素 就复 杂得 多 。 特 别是表层和 次表层 的碳 、 氮 、 锰 、 硼 等元 素 的 含量 及其存在状态的 变 化均会带 来 显著 的影 响 · ” 。 本文 采用 “ 半 马 氏体距 离一 渗层深度 关 系曲线 ” 来 表征 渗层 范围 内淬透 性 的变 化 。 若 用 淬透 性 曲线 上至 处 的 距 离 功 等 硬度 曲线 来 表示和 研究 渗层 淬透 性 ， 则 由于 沿共 渗层 深度碳氮 含量 有 显著 的变 化 ， 某一位 置处 的 硬度值 不仅 取决于 马 氏体 的数量 ， 而且 与碳 、 氮 含量 密 一 切相 关 。 因而后 者 不 能 准确 地和 全面 地反 映 出渗 层 范 围 内 淬透性的变化 ， 特 别 是将其 与非 马 氏体黑 色组织 的 出现相 联 系时 就 更 有它 的局 限性 。 例 如 ， 在 含碳 量较低的 部 位 即使全 部得 到马 氏体 ， 其 硬度 值 也可 能达 不到 。 。 ， 但实际 上该处的 淬透 性可以是很高 的 。 采 用 半 马 氏体距 离 作为指标 ， 则 不存在 这个 问题 。 它可 以 比较好 地与渗 层 非 马 氏体黑 色 组 织出现 的倾 向性 紧密 联 系起 来 。 图 给出 了 炉 的 “ 沁 等 硬度 曲线 ” 。 与 图 对 比 可见 两 者 沿渗层 深度 的变 化趋 势 ， 特 别是 在过 渡区 范 围 内的 变 化趋势 有 明 显 的差异 。 半马氏 体距离关系 曲线 上 出现 的 凹 谷 与黑 色组织 出现 的 部位 一一对应 对比 图 和 然而 图 则 不行 。 因 此测定 “ 半 马 氏体距 离－ 渗 层 深度曲线 ” 对深入研究 产生黑 色组 织 的 原 因 、 调整和 控 制碳 氮共渗工 艺是 十分重 要 的 ， 。 由 图 可 见 ， 硼 钢碳 氮共渗后 渗层 淬 透 性 曲线 上有 两个 区域 的变 化趋 势是 值得 注 意 的 一 是 表层 淬透 性 “ 低头 ” ， 二 是 过 渡 区 “ 凹 谷 ” ， 它们 分别 与表层 黑 色组 织 和 过 渡 区 黑 色组织 相 对应 。 表层 淬透 性 出现 “ 低头 ” 的原 因 ， 主 要 是 由午 内氧 化使合 金元 素贫化 的 结果 “ ’ 。 碳 化场和 氮化 物 的 析 出也 会带 来 不 利 的影 响 。 在 钢 碳 氮共渗 后 出现 明 吕 日 石 巧 关霎女山眯粼褪口国圈的。国 距表面 的距离 ， 。 图 炉 的 “ ‘ 。 等硬 度 曲线 ” 显 黑 色组织 的 试样 上 ， 抛 光 后未 经腐 蚀往 往可 以 发现一 些呈点 、 条 状 分 布的黑 色粒状 物 。 曾 用 甩 子 探钎定点分 析 ， 鉴 定 它 们主 要 是 。 。 型 的 化合 物 。 化学 分 析 结 果 表层 有贫锰 和 贫 硅现 象 见 图 少 。 此外 径 迹 显微照 象和 硼 的 化学 分 析 结果 表 阴 ， 表层 富 硼 ， 出现大量硼 化物颗 粒 见 图功 和 。 所 有达 些都 是 导致 硼 钢 表层 淬透 性 降低 的原 因 。 可 以 根据这 些原 因来分析影 响 表层 黑 色组织产 生 的一 系列工 艺 因素 。 例 如 ， 排气阶段阜期供氨量 多会促使产 生 严 重 的黑 色组织 ， 这是 因为排气升温 阶段炉 内 较多 ， 供 氨量 增加时炉气中的水汽含量 增加 ， 露点升高 ， 内氧化加剧 ， 基体合 金元 素贫 化严重 “ ’ ， 从而导致表层淬透性下降

：,过渡区谇透性出现凹谷是硼钢碳氨共渗的一个重要特征。径迹显微照象和剥层化学分析 表明，硼钢碳氯共渗时硼在渗层中发生了迁移和再分布现象。试验的25 MnTiBR钢基体中 含有27PP的硼，由于钢中含有较高的钛，酸溶硼和总硼很接近。经碳氮共渗后，如图 4b、℃所示，硼含量沿渗层变化的特征是：渗层表面区域总硼含量增加，过渡区总硼含量减 少，至心部又增加并恢复到原材料中的含硼量。特别是，由于硼和氨有很强的亲和力，在表 面一个相当深的范围内有BN形成，使总硼与酸溶硼出现明显差异，酸溶硼量显著减少，甚 至低到≤5ppl,对淬透性起作用的酸溶硼量过低及大量起非自发核心作用的BN出现是导 致淬透性降低的主要原因。与“半马氏体距离一一渗层深度曲线”相对照（对比图4b和）， 淬透性凹谷与酸溶硼量极低、并有大量BN出现的部位相对应。 2,工艺因素对渗层淬透性的影响 将表6所列的九炉碳氨共渗试验结果利用La(3)·正交表按排气氨量、共渗氨量、共渗 油量、共渗温度对表层半马氏体距离、过渡区半马氏体距离最小债以及表面碳、氮浓度的影 响进行直观分析，分析结果示于图9结果表明： 0.16 0.14 0.13 是.00 郴1.00,08 0.90.06 D D Dmin Dmin D min 0.0050.030.06 0,0050.030.08 4行 G0 180 840 860870 排气氨量mh 共海氨橙m兆 共渗油t,/min 共滤温度，℃ 图9工艺因素(L。(3)正交试验)对表层半马氏体距离(D。),过渡区半马 体距离的最小值(Dm1n)及表层碳、氮浓度影响的直观分析 对于表层(0.06mm处)半马氏体距离：低的共渗温度明显降低其淬透性；共渗氨量和 共渗油量增加也有不利影响：高的排气氨有使表层淬透性降低的趋势。 对于过渡区半马氏体距离最小值：共渗油量少，渗层淬透性凹谷明显加深；排气氨量 多、共渗温度低也有不利影响，高的共渗氨量有使过渡区半马氏体距离最小值降低的趋势。 44

一 过渡 区淬透 性出现 凹 谷 是 硼钢碳 氮共渗 的 一个 重要 特征 。 径 迹显微照 象和剥 层 化学分析 表 明 ， 硼钢 碳 氮共渗 时 硼在渗 层 中发生了迁移和再 分布现象 。 试 验的 邓 ‘ 甲 钢 基体中 含有 的 硼 ， 由于 钢 中含有 较高 的 钦 ， 酸 溶硼和 总硼很 接近 。 经 碳氮共渗后 ， 如 图 、 所示 ， 硼 含量 沿渗层 变化 的特征是 渗层表 面区域 总硼 含量 增加 ， 过渡 区 总硼含量减 少 ， 至 心 部又 增加并恢 复到原材料 中的 含硼量 。 特 别 是 ， 刹 于硼和 氮有很 强的 亲和 力 ， 在表 面一个相 当深 的范 围内有 形 成 ， 使 总硼 与酸 溶 硼 出现 明显差 异 ， 酸溶硼 量显著 减 少 ， 甚 桩低到‘ 知 ， 对 淬透性起作 用的酸 溶硼量 过低 及大 量 起非 自发核心作 用 的 出现是 导 致淬透性降低的主要原 因 。 与 “ 半 马 氏体距离一 渗层 深度 曲线 ” 相 对照 对比 图功 和 ， 淬奢胜凹谷 与酸溶硼量 极低 、 并 有大量 出现 的部位相对应 · 工 艺 因素对 渗层 淬透性 的影 响 将表 所列 的九炉碳氮共渗试验结果利 用 。 ‘ 正 交表 按 排 气氨量 、 共渗氨 量 、 共渗 油 量 、 共渗温度对表 层半马 氏体 距 离 、 过渡区 半 马 氏体距 离最小值 以 及表面碳 、 氮浓度 的 影 响进 行直 观分 析 ， 分 析结果 示 于 图 结果表 明 讨 ‘ 五 一 丫 工 兮今火 一 件 。 、 ‘ 抓若 了 产 、 卜衍爹 一 。 沙 即 一 一 口洲 吻、 ， 产 八一 、 、 产 八 一 火… 一 八 妙 了 一 、 尸产 一 、 、 二写 、 ” 排气氨量 勺 共渗 氨量 五 共渗油量 共渗 温度 ，℃ 图 工 艺 因素 。 ‘ 正 交试验 对表层半马氏体距 离 ， 过 渡 区半 马 体距 离 的最小值 ， 及表层碳 、 氮浓 度 影 响 的直观 分 析 对于表 层 处 半马 氏体 距 离 低 的共渗温度 明 显降低 其 淬透 性 共渗 氨量和 共渗 油量 增加也 有不利影 响 高 的排 气 氨有使表 层 淬透 性降低 的趋势 。 对于过渡区 半马 氏体距离最小值 共渗油 量少 ， 、 渗 层淬透 性 凹谷 明显一加 深 排 气氨量 多 、 共渗温度低 也 有不利影响 ， 高的共渗氨量有使过渡区半马 氏 一 体距 离最小值降低 的 趋势