渗碳层深度

渗碳工件表面向内至碳含量为规定值处的垂直距离

渗碳层深度（Carburized case depth）是由渗碳工件表面向内至碳含量为规定值处（一般为0.4%C）的垂直距离。渗碳层（Carburized case)是指渗碳工件含碳量高于原材料的表层。某渗碳层深度的测量有维氏硬度法、断口法和金相法。维氏硬度法直接反映了零件的力学性能（硬度），是国家标准指定的唯一仲裁方法，但因操作复杂效率低而较少被采用，生产中一般用断口法和金相法。断口法常用于零件炉前检查，便于控制零件出炉时间；金相法则是渗碳后对零件进行相应热处理，通过分析热处理后的组织来判定渗碳层的深度，是生产中常用的测试零件渗碳层深度的方法。

简介

低碳钢与合金钢渗碳时的主要区别在于低碳钢比合金钢渗层中的碳浓度要低,其组织和硬度略有不同，但对渗碳层深度测量无影响。由于渗碳层具有变化的碳浓度，其由表及里逐渐减小，退火状态的渗碳层由表及里由以下三个区域组成：

①过共析层　组织为珠光体+二次渗碳体；

②共析层　组织为珠光体；

③亚共析渗碳层　过渡层，组织为珠光体+铁素体。珠光体逐渐减少，铁素体逐渐增加，直到心部原始组织（珠光体+铁素体），渗碳缓冷试样渗碳层界限为出现铁素体组织，较容易区分。

飞机防扭臂销棒材料为18Cr2Ni4WA钢，要求在外径φ38.5mm的两端各40mm内渗碳，渗碳层深度为1.0～1.4mm。采用气体渗碳法对该零件进行渗碳，对渗碳后过程试样水淬打断，测定渗碳深度为1.2mm，深度符合要求，零件及随炉试样出炉。

随炉试样经正火后测定渗碳层深度为0.9mm，渗碳层深度不符合要求，零件判定为不合格。为此，针对炉前测定合格、随炉试样正火后检测为不合格，且两者测定深度相差0.3mm的情况，开展了渗碳后热处理工艺、组织与深度测试的分析与探讨。

渗碳后热处理工艺与组织

渗碳后淬火及组织

渗碳过程试样φ8mm×100mm随零件经920±10℃渗碳约615min后出炉水淬打断，表面渗碳层组织为粗针状马氏体加较多的残余奥氏体和少量碳化物，而心部组织为低碳马氏体（板条状马氏体），由于淬火温度高，心部几乎没有析出铁素体。

在10～40倍的读数显微镜下直接观察断面，外层（渗碳层）是银亮且带闪光点的一圈，内层（心部组织）为均匀的浅灰色，两者界限分明。但此法易将亚共析过渡层与心部组织交接处混为一体，造成对渗碳深度过深的误判。

渗碳后退火及组织

随炉金相试样Φ38mm×40mm经850±10℃加热并保温50～55min，随炉冷却到400℃后出炉，从表面到心部均可得到马氏体，在高碳区与基体交界处经常有针状贝氏体析出，但在金相显微镜下观察其界限往往不甚清晰。

渗碳后正火及组织

18Cr2Ni4WA钢试样渗碳后出炉空冷的淬透直径达Φ75mm，从表面到心部均为马氏体。其表层为高碳马氏体，心部为低碳马氏体，在高碳区与基体交界处经常有针状贝氏体析出，故渗碳深度的测定一般是从表面直到贝氏体结束处，但在金相显微镜下其界限仍然模糊。

渗碳后等温淬火及组织

将随炉金相试样φ38mm×40mm，加热升温到860±10℃保温50～55min，在280±5℃的等温槽保温5～10min后立即水冷。

18Cr2Ni4WA钢渗碳后心部MS点约为280～310℃，渗碳层表面的MS点由于碳浓度的增高而下降至80℃左右，心部和渗碳层表面的下贝氏体转变的孕育期也由于含碳量的不同而有很大的差异，碳分高则显著推迟贝氏体转变。选择280±5℃进行等温，温度正好在心部MS点与渗碳层MS点之间，这时，含碳量的质量分数大于0.3%的区域（渗碳层）形成淬火马氏体（4%硝酸酒精溶液腐蚀下为白色），而含碳量在质量分数0.3%及以下的区域（心部）在等温时发生马氏体转变并被回火，出现回火马氏体（4%硝酸酒精溶液腐蚀下为黑色），故便于区分与测量。

渗碳层深度的测定与分析

试样打磨与腐蚀

将金相试样待测表面进行打磨并抛光，采用4%的硝酸酒精溶液进行侵蚀，侵蚀时间为5～10s，侵蚀后立即水洗并晾干或吹干。

界限判定

在光学显微镜下，从金相试样的外表向内，以心部开始出现板条马氏体（低碳马氏体）为界限，经正火或退火的组织，也可从金相试样的外表向内到贝氏体结束处。

光学显微镜下的组织特征

碳化物，呈亮白色棱角状，多出现在试样外缘，有时呈网状；铁素体，呈亮白色块状，亮度较碳化物弱，一般不会出现网状分布，该材料渗碳淬火后几乎不析出铁素体；残余奥氏体，呈亮色，亮度较铁素体更弱，一般伴随碳化物及马氏体交替出现。

退火、正火、普通淬火下深度测定

依据以上原理分析及操作，对渗碳试样进行不同热处理状态下的深度测定，结果如下：试样在淬火条件下，渗碳层深度为1.2mm，渗碳层深度合格；试样在退火及正火条件下，试样渗碳深度为0.9mm，渗碳层深度不合格。由于视场模糊，最终的渗碳深度结果难以确认。

在等温淬火下的深度测定

渗碳后将金相试样Φ38mm×40mm升温到860±10℃保温50～55min，在280±5℃的等温槽保温5～10min后立即水冷，测得渗碳层深度为0.75mm。由于渗碳层为淬火马氏体，在4%硝酸酒精溶液腐蚀下为白色，而心部在等温时发生马氏体转变并被回火为回火马氏体，在4%硝酸酒精溶液腐蚀下为黑色，故界限分明，测量准确可靠。

渗碳层深度测定误差分析

在引言中了解到，水淬打断过程试样Φ8mm×100mm测定渗碳深度为1.2mm，由于淬火后渗碳层组织为粗针状马氏体加较多的残余奥氏体和少量的碳化物（颜色白亮），心部为低碳马氏体（颜色为浅灰色），两者并无明显界限，且读数显微镜的放大倍数为10倍，视场比较模糊，易将过渡层估计更多，故判断渗碳层深度时往往偏大。将随炉金相试样Φ38mm×40mm出炉空冷，送理化检测中心进行渗碳深度测定为0.9mm，结果仍然不可靠。试样的冷速虽然慢，但内外组织均为马氏体，只是粗细程度稍有差别，难以准确可靠地测定渗碳深度。可见，由于上述两种热处理工艺方法不当，造成组织差别较小，导致了测量结果的不准确。

补渗及渗碳层深度的再次测定

经过以上分析，认为渗碳层深度测定误差过大的根本原因是金相试样内外层组织的差别过小，也即热处理工艺方法错误导致测量深度的不确定。根据等温淬火法测定的渗碳深度0.75mm（平均渗碳速度为0.11mm/h），制定了该批零件的补充渗碳工艺。首先将零件及金相试样在920±10℃补渗5h后出炉坑冷，再将随炉金相试样φ38mm×40mm重新加热升温到860±10℃保温50～55min，在280±5℃的等温槽保温5～10min后立即水冷，再次测定渗碳深度为1.15mm，证明零件渗碳深度合格。

维氏硬度测定法简介

维氏硬度法直接反映了零件的力学性能（硬度），是比较准确可靠的测量方法。渗碳层有效硬化层深度（DC）大于0.3mm，并且经热处理至最终硬度值离表面三倍于有效硬化层处硬度小于450HV的制件，渗碳并经淬火、回火后，从制件表面到维氏硬度值为550HV处的垂直距离为渗碳层的深度，测定硬度所采用的试验力为9.8N，有效数字为小数点后二位。

硬度压痕应在指定的宽度（w）为1.5mm的范围内，沿着与表面垂直的一条或多条平行线上进行。两相邻压痕的距离（s）应不小于压痕对角线的2.5倍，从表面到各逐次压痕中心之间的距离应不超过0.1mm。测量表面到各压痕的积累距离的精度为±25μm,并用400倍的光学仪器进行测量。每个部位测定结果应绘制一条相对于表面距离的变化曲线，根据每条曲线，分别测出从制件表面到硬度值为550HV处的垂直距离。如果这两个数值的差小于或等于0.1mm，则取它们的平均值作为有效硬化层深度；如果差值大于0.1mm，则应重复进行试验。采用维氏硬度法对补渗后的随炉金相试样φ38mm×40mm测试渗碳层深度为1.05mm，与金相法经等温淬火后测定的渗碳层深度基本吻合。

总结

1.18Cr2Ni4WA钢渗碳后，对渗碳试样进行退火、正火、普通淬火后均难以进行渗碳层深度的准确测定。

2.由于18Cr2Ni4WA钢的特殊性，对渗碳试样进行等温淬火，是测定渗碳层深度的唯一有效的方法。

3.在条件许可的情况下，应积极探索采用维氏硬度测定法测定18Cr2Ni4WA钢的渗碳层深度。

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