热处理知识(6)

由表2可知在260℃行动等温比在320℃等温的表面残余
应力要高出一倍多表2。 35SiMn2MoV钢不同等温温度的表面残余应力可见表面残余
应力状态对渗碳等温淬火的等温温度是很敏感的。不仅等温温度对表面残余压应力
状态有影响,而且等温时间也有一定的影响。有人对35SiMn2V钢在310℃等温2分
钟,10分钟,90分钟的残余应力进行过测试。2分钟后残余压应力为-20kg/mm,10分钟
后为-60kg/mm,60分钟后为-80kg/mm,60分钟后再延长等温时间残余应力变化不大。
从上面的讨论表明,渗碳层与心部马氏体转变的先后顺序对表层残余应力的大小有重
要影响。渗碳后的等温淬火对进一步提高零件的疲劳寿命具有普遍意义。

此外能降
低表层马氏体开始转变温度（Ms）点的表面化学热处理如渗碳、氮化、氰化等都为
造成表层残余压应力提供了条件,如高碳钢的氮化--淬火工艺,由于表层,&127;氮含
量的提高而降低了表层马氏体开始转变点（Ms）,淬火后获得了较高的表层残余压应
力使疲劳寿命得到提高。又如氰化工艺往往比渗碳具有更高的疲劳强度和使用寿命,
也是因氮含量的增加可获得比渗碳更高的表面残余压应力之故。此外,&127;从获得
表层残余压应力的合理分布的观点来看,单一的表面强化工艺不容易获得理想的表层
残余压应力分布,而复合的表面强化工艺则可以有效的改善表层残余应力的分布。如
渗碳淬火的残余应力一般在表面压应力较低,最大压应力则出现在离表面一定深度
处,而且残余压力层较厚。

氮化后的表面残余压应力很高,但残余压应力层很溥,往里
急剧下降。如果采用渗碳--&127;氮化复合强化工艺,则可获得更合理的应力分布状
态。&127;因此表面复合强化工艺,如渗碳--氮化,渗碳--&127;高频淬火等,都是值得
重视的方向。根据上述讨论可得出以下结论;1、热处理过程中产生的应力是不可避
免的,而且往往是有害的&127;。但我们可以控制热处理工艺尽量使应力分布合理,就
可将其有害程度降低到最低限度,甚至变有害为有利。2、当热应力占主导地位时应
力分布为心部受拉表面受压,当组织应力占主导地时应力分布为心部受压表面受
拉。 3、在高淬透性钢件中易形成纵裂,在非淬透性工件中往往形成弧裂,在大型非
淬透工件中容易形成横断和纵劈。

4、渗碳使表层马氏体开始转变温度（Ms）点下
降,可导至淬火时马氏体转变顺序颠倒,心部首先发生马氏体转变而后才波及到表面,
可获得表层残余压应力而提高抗疲劳强度。5、渗碳后进行等温淬火可保证心部马氏
体转变充分进行以后,表层组织转变才进行。&127;使工件获得比直接淬火更大的表
层残余压应力,可进一步提高渗碳件的疲劳强度。6、复合表面强化工艺可使表层残
余压应力分布更合理,可明显提高工件的疲劳强度。
    
     钢珠薄层渗碳新工艺 作
     1 引言　　钢珠的主要失效方式是接触疲劳剥落，但现行的钢珠质量标准却只
检查其压碎负荷的大小和硬度，而对钢珠的接触疲劳性能却未作要求。以自行车钢
珠为例，压碎负荷国标为15 500N，部优为16 700N，硬度为HRC60～65。生产厂家为
了达到对压碎负荷的高标准要求，均按高温渗碳、降温淬火工艺(以下称原工艺)进
行生产(图1)，钢珠的渗层厚度达到了1.2～1.4mm。如此厚的渗层，虽使压碎负荷达
到了要求，但对钢珠的接触疲劳性能影响如何，尚属未知。另外由于该工艺采用的
是高温渗碳、降温淬火，不仅生产周期长、生产成本高，而且渗层中还析出了不均
匀的网状碳化物，心部析出铁素体，不利于接触疲劳性能的提高。本文将研究在不
降低钢珠压碎负荷的前提下，提出新工艺，尽可能提高其疲劳性能，降低成本，增
加经济效益。

其次将研究尽量采用较低的渗碳温度，以提高炉罐寿命(因为生产所用
的渗碳罐是由钢板焊接而成，渗碳温度的变化对其寿命影响很显着)。2　研究项目
及方法2.1研究项目　　(1)在不同温度(9000C，9050C，9100C，9200C)对钢珠渗碳
直接淬火，考查其裂纹倾向。　　(2)测定渗层厚度——渗碳温度、渗碳时间的关
系。　　(3)渗碳温度及渗碳深度对抗压碎负荷的影响。　

　(4)煤油滴量对压碎负
荷的影响。　　(5)在优选温度下，渗碳层深度对接触疲劳性能的影响。　　(6)通
过上述研究，提出有利于钢珠质量提高、成本降低的新工艺。2.2试验材料及试样　
　试验材料为15号钢，其化学成分为：0.15%C，0.15%Si，0.40%Mn，0.03%S，0.02%
P。试样为该材料加工成型的Ф6钢珠。2.3研究方法及设备　　(1)渗碳采用RTS-
45-12滚筒式气体渗碳炉。　　(2)采用VWPL型万能试验机对三个钢珠进行压碎试
验，以平均压碎值为准。　　

(3)接触疲劳测定采用KG型疲劳试验机，加载200kg，
转速2200r/min，每次9粒，滚动磨损，以出现针状麻点为失效标准，行业检查1h为
合格。　　(4)用JXA840扫描电镜分析断口。　　(5)渗碳层浓度测定采用Y——2型x
射线分析仪。3　验结果分析　3.1渗碳后直接淬火的钢珠的裂纹倾向　　对不同温
度下渗碳后直接淬火的钢珠及原工艺未淬火的钢珠分别进行酸洗，检查其裂纹情
况，结果见表1。　　　　　　　　　　

　表1不同渗碳温度对裂纹倾向的影响处理
条件(0 C)      900      905      910      915      920      930      原工
艺未淬火
百粒裂纹数(个)      7      7      8      6      6      5      7

可见，裂纹个数均在5%～8%之间。裂纹形状、宽度、深度基本一致。这说明裂纹是
在轧球过程中产生的，而非淬火产生的，因而采用直接淬火方式应是可行的。3.2
渗碳温度及渗碳时间对渗层厚度的影响　　对于采用不同温度(9000C，9050C，
9100C，9150C，9200C，9300C)、不同渗碳时间(2.5h，3h，3.5h，4.5h)处理的试
样，测量其渗碳深度，部分结果见表2。　　

　　　　　　表2渗碳温度、渗碳时间
与渗碳层厚度的关系      2.5h      3.5h      4.5h
900℃      0.55mm      0.75mm      0.9mm
930℃      0.73mm      0.93mm      1.1mm

由此得出结论：在同一温度曲线，开始渗碳速度(V始)较大，随时间的增加，渗碳速
度(V)下降，渗层随时间增加而加厚。现对此分析。　　众所周知，在渗碳过程中，
渗碳速度受煤油的分解、活性碳原子的吸收及碳原子的扩散三方面的影响。　　(1)
煤油的分解温度在8750C左右，在高于9000C的温度下，它分解比较完全，可能认为
不受温度和时间的影响。　　

(2)活性碳原子的吸附主要与渗入钢中的成分和活性碳
原子的析出速度有关。所以渗速主要取决于扩散过程。　　 (3)根据菲克第一定
律，提高渗层表面的浓度梯度是加快渗速的重要途径。在渗碳的初始阶段，化学吸
附了大量的活性碳原子，被贫碳表面强裂吸附，因此钢的渗层主要由渗层最外层的
高浓度梯度所形成，产生了很高的碳浓度梯度。所以刚开始渗碳阶段，渗速比较
大，随碳原子的渗入，碳浓度梯度逐渐下降，这样，渗速也就减慢。 　　(4)在同
一渗碳的时间下随温度的升高，渗层增厚。这是由于随温度的升高，活性碳原子的
活性提高，因此扩散速度也提高了。