滲碳層深度

低碳鋼與合金鋼滲碳時的主要區別在於低碳鋼比合金鋼滲層中的碳濃度要低,其組織和硬度略有不同，但對滲碳層深度測量無影響。由於滲碳層具有變化的碳濃度，其由表及裏逐漸減小，退火狀態的滲碳層由表及裏由以下三個區域組成：

①過共析層　組織為珠光體+二次滲碳體；

②共析層　組織為珠光體；

③亞共析滲碳層　過渡層，組織為珠光體+鐵素體。珠光體逐漸減少，鐵素體逐漸增加，直到心部原始組織（珠光體+鐵素體），滲碳緩冷試樣滲碳層界限為出現鐵素體組織，較容易區分。

飛機防扭臂銷棒材料為18Cr₂Ni₄WA鋼，要求在外徑φ38.5mm的兩端各40mm內滲碳，滲碳層深度為1.0～1.4mm。採用氣體滲碳法對該零件進行滲碳，對滲碳後過程試樣水淬打斷，測定滲碳深度為1.2mm，深度符合要求，零件及隨爐試樣出爐。

隨爐試樣經正火後測定滲碳層深度為0.9mm，滲碳層深度不符合要求，零件判定為不合格。為此，針對爐前測定合格、隨爐試樣正火後檢測為不合格，且兩者測定深度相差0.3mm的情況，開展了滲碳後熱處理工藝、組織與深度測試的分析與探討 ^[1]  。

滲碳過程試樣φ8mm×100mm隨零件經920±10℃滲碳約615min後出爐水淬打斷，表面滲碳層組織為粗針狀馬氏體加較多的殘餘奧氏體和少量碳化物，而心部組織為低碳馬氏體（板條狀馬氏體），由於淬火温度高，心部幾乎沒有析出鐵素體。

在10～40倍的讀數顯微鏡下直接觀察斷面，外層（滲碳層）是銀亮且帶閃光點的一圈，內層（心部組織）為均勻的淺灰色，兩者界限分明。但此法易將亞共析過渡層與心部組織交接處混為一體，造成對滲碳深度過深的誤判。

隨爐金相試樣Φ38mm×40mm經850±10℃加熱並保温50～55min，隨爐冷卻到400℃後出爐，從表面到心部均可得到馬氏體，在高碳區與基體交界處經常有針狀貝氏體析出，但在金相顯微鏡下觀察其界限往往不甚清晰。

18Cr2Ni4WA鋼試樣滲碳後出爐空冷的淬透直徑達Φ75mm，從表面到心部均為馬氏體。其表層為高碳馬氏體，心部為低碳馬氏體，在高碳區與基體交界處經常有針狀貝氏體析出，故滲碳深度的測定一般是從表面直到貝氏體結束處，但在金相顯微鏡下其界限仍然模糊。

將隨爐金相試樣φ38mm×40mm，加熱升温到860±10℃保温50～55min，在280±5℃的等温槽保温5～10min後立即水冷。

18Cr₂Ni₄WA鋼滲碳後心部MS點約為280～310℃，滲碳層表面的MS點由於碳濃度的增高而下降至80℃左右，心部和滲碳層表面的下貝氏體轉變的孕育期也由於含碳量的不同而有很大的差異，碳分高則顯著推遲貝氏體轉變。選擇280±5℃進行等温，温度正好在心部MS點與滲碳層MS點之間，這時，含碳量的質量分數大於0.3%的區域（滲碳層）形成淬火馬氏體（4%硝酸酒精溶液腐蝕下為白色），而含碳量在質量分數0.3%及以下的區域（心部）在等温時發生馬氏體轉變並被回火，出現回火馬氏體（4%硝酸酒精溶液腐蝕下為黑色），故便於區分與測量 ^[2]  。

將金相試樣待測表面進行打磨並拋光，採用4%的硝酸酒精溶液進行侵蝕，侵蝕時間為5～10s，侵蝕後立即水洗並晾乾或吹乾。

在光學顯微鏡下，從金相試樣的外表向內，以心部開始出現板條馬氏體（低碳馬氏體）為界限，經正火或退火的組織，也可從金相試樣的外表向內到貝氏體結束處。

碳化物，呈亮白色稜角狀，多出現在試樣外緣，有時呈網狀；鐵素體，呈亮白色塊狀，亮度較碳化物弱，一般不會出現網狀分佈，該材料滲碳淬火後幾乎不析出鐵素體；殘餘奧氏體，呈亮色，亮度較鐵素體更弱，一般伴隨碳化物及馬氏體交替出現。

依據以上原理分析及操作，對滲碳試樣進行不同熱處理狀態下的深度測定，結果如下：試樣在淬火條件下，滲碳層深度為1.2mm，滲碳層深度合格；試樣在退火及正火條件下，試樣滲碳深度為0.9mm，滲碳層深度不合格。由於視場模糊，最終的滲碳深度結果難以確認。

滲碳後將金相試樣Φ38mm×40mm升温到860±10℃保温50～55min，在280±5℃的等温槽保温5～10min後立即水冷，測得滲碳層深度為0.75mm。由於滲碳層為淬火馬氏體，在4%硝酸酒精溶液腐蝕下為白色，而心部在等温時發生馬氏體轉變並被回火為回火馬氏體，在4%硝酸酒精溶液腐蝕下為黑色，故界限分明，測量準確可靠。

在引言中瞭解到，水淬打斷過程試樣Φ8mm×100mm測定滲碳深度為1.2mm，由於淬火後滲碳層組織為粗針狀馬氏體加較多的殘餘奧氏體和少量的碳化物（顏色白亮），心部為低碳馬氏體（顏色為淺灰色），兩者並無明顯界限，且讀數顯微鏡的放大倍數為10倍，視場比較模糊，易將過渡層估計更多，故判斷滲碳層深度時往往偏大。將隨爐金相試樣Φ38mm×40mm出爐空冷，送理化檢測中心進行滲碳深度測定為0.9mm，結果仍然不可靠。試樣的冷速雖然慢，但內外組織均為馬氏體，只是粗細程度稍有差別，難以準確可靠地測定滲碳深度。可見，由於上述兩種熱處理工藝方法不當，造成組織差別較小，導致了測量結果的不準確。

經過以上分析，認為滲碳層深度測定誤差過大的根本原因是金相試樣內外層組織的差別過小，也即熱處理工藝方法錯誤導致測量深度的不確定。根據等温淬火法測定的滲碳深度0.75mm（平均滲碳速度為0.11mm/h），制定了該批零件的補充滲碳工藝。首先將零件及金相試樣在920±10℃補滲5h後出爐坑冷，再將隨爐金相試樣φ38mm×40mm重新加熱升温到860±10℃保温50～55min，在280±5℃的等温槽保温5～10min後立即水冷，再次測定滲碳深度為1.15mm，證明零件滲碳深度合格。

維氏硬度法直接反映了零件的力學性能（硬度），是比較準確可靠的測量方法。滲碳層有效硬化層深度（DC）大於0.3mm，並且經熱處理至最終硬度值離表面三倍於有效硬化層處硬度小於450HV的製件，滲碳並經淬火、回火後，從製件表面到維氏硬度值為550HV處的垂直距離為滲碳層的深度，測定硬度所採用的試驗力為9.8N，有效數字為小數點後二位。

硬度壓痕應在指定的寬度（w）為1.5mm的範圍內，沿着與表面垂直的一條或多條平行線上進行。兩相鄰壓痕的距離（s）應不小於壓痕對角線的2.5倍，從表面到各逐次壓痕中心之間的距離應不超過0.1mm。測量表面到各壓痕的積累距離的精度為±25μm,並用400倍的光學儀器進行測量。每個部位測定結果應繪製一條相對於表面距離的變化曲線，根據每條曲線，分別測出從製件表面到硬度值為550HV處的垂直距離。如果這兩個數值的差小於或等於0.1mm，則取它們的平均值作為有效硬化層深度；如果差值大於0.1mm，則應重複進行試驗。採用維氏硬度法對補滲後的隨爐金相試樣φ38mm×40mm測試滲碳層深度為1.05mm，與金相法經等温淬火後測定的滲碳層深度基本吻合 ^[2]  。

1.18Cr₂Ni₄WA鋼滲碳後，對滲碳試樣進行退火、正火、普通淬火後均難以進行滲碳層深度的準確測定。

2.由於18Cr₂Ni₄WA鋼的特殊性，對滲碳試樣進行等温淬火，是測定滲碳層深度的唯一有效的方法。

3.在條件許可的情況下， 應積極探索採用維氏硬度測定法測定18Cr₂Ni₄WA鋼的滲碳層深度 ^[3]  。