閆永明，劉雅政，周樂(lè)育，徐 盛，王國(guó)存

(1.北京科技大學(xué)材料學(xué)院，北京 100083;2.西寧特殊鋼股份有限公司，西寧 810005)

釬具由于特殊的工作環(huán)境，在服役過(guò)程中承受復(fù)雜的循環(huán)應(yīng)力，要求釬具具有良好的疲勞和耐磨性能［1～3］.釬具在服役過(guò)程中，表面是最易發(fā)生疲勞失效的位置，疲勞裂紋最初均起源于釬具的表面.同時(shí)，在一定的載荷條件下，零件的最大應(yīng)力往往也產(chǎn)生于零件的表面，因此，增加零件表面的強(qiáng)度和耐磨性對(duì)增加其疲勞壽命有關(guān)鍵的作用.滲碳熱處理被廣泛的應(yīng)用于多種機(jī)械零件以提高其疲勞和耐磨性能，經(jīng)滲碳處理后的釬具，除可強(qiáng)化表層外，表層存在的殘余壓應(yīng)力對(duì)疲勞裂紋的擴(kuò)展也起到阻礙作用［4-8］.因此，研究23CrNi3Mo鋼的滲碳規(guī)律，對(duì)于提高使用壽命至關(guān)重要.

23CrNi3Mo 鋼屬低碳合金鋼，Cr、Ni、Mo 等合金元素的加入不僅可以提高鋼的機(jī)械性能，也可以調(diào)高其熱處理性能.合金元素的加入對(duì)于23CrNi3Mo鋼在滲碳過(guò)程中碳原子在奧氏體中的溶解度和擴(kuò)散速度均產(chǎn)生重要影響［9-12］.

彭宏偉［13］研究表明，23CrNi3Mo釬尾在井式氣體滲碳爐內(nèi)滲碳時(shí)，滲碳劑使用煤油，劑量為每分鐘100滴，滲碳溫度為930℃，強(qiáng)滲時(shí)間2.5 h，擴(kuò)散時(shí)間1.5 h，滲碳層的碳含量可控制在0.7%～0.9%，滲碳層厚度0.7～1.0 mm.

本文采用固態(tài)滲碳的方法，研究23CrNi3Mo鋼在不同的滲碳溫度和滲碳時(shí)間下的滲碳規(guī)律，分析了滲碳過(guò)程中碳原子在23CrNi3Mo鋼中的擴(kuò)散規(guī)律及不同碳含量下組織變化規(guī)律.

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)用23CrNi3Mo鋼取自某廠生產(chǎn)的Φ110 mm棒材，化學(xué)成分如表1所示.

表1 試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

將實(shí)驗(yàn)鋼加工成Φ15 mm×60 mm的圓柱形試樣，采用Na2CO3+木炭(混合比例9∶1)為滲碳劑.試驗(yàn)中選擇 890、910、930、950、970 ℃的 6個(gè)滲碳溫度滲碳6 h，研究滲碳溫度對(duì)23CrNi3Mo鋼滲碳規(guī)律的影響;同時(shí)以930℃作為滲碳溫度，選擇4、7、8、10 h的4個(gè)滲碳時(shí)間，研究滲碳時(shí)間對(duì)23CrNi3Mo鋼滲碳規(guī)律的影響.將試樣裝入填滿滲透劑的圓筒形滲碳罐中密封，加熱到820℃保溫2 h，達(dá)到形成一定碳勢(shì)氣氛的目的.然后采用不同的滲碳溫度和滲碳時(shí)間進(jìn)行滲碳實(shí)驗(yàn)，滲碳完成后爐冷到850～860℃保溫0.5～1 h，取出試樣油淬，隨后在200℃低溫回火2 h，最后取出試樣空冷.試驗(yàn)完成后將試樣沿橫截面切開(kāi)，經(jīng)磨制、機(jī)械拋光后用4%的硝酸酒精溶液浸蝕，觀察從外表面到心部的顯微組織;采用逐層剝削法即對(duì)圓柱形試樣表面以下以遞增的深度進(jìn)行車削取樣，并利用化學(xué)燃燒法測(cè)定從外表面到心部的碳濃度分布;并利用Leica VMHT 30M硬度儀分別測(cè)定了不同工藝下試樣的各相組織的顯微硬度.滲碳后表面到心部呈現(xiàn)不同的組織狀態(tài)，利用Image Tool軟件對(duì)殘余奧氏體含量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 碳濃度分布

將滲碳后Φ15 mm×60 mm的圓柱形試驗(yàn)逐層剝削，利用化學(xué)法檢測(cè)了不同滲碳溫度下試樣表面到心部的碳濃度，如圖1(a)所示.隨著滲碳溫度的升高，碳濃度分布曲線由表面向心部移動(dòng)，相同位置的碳濃度逐漸增加.在890～970℃滲碳時(shí)，890℃的碳濃度分布整體偏低;910和930℃的碳濃度分布較接近位于中間位置;950和970℃的碳濃度分布基本重合.如圖1(b)所示，為滲碳溫度對(duì)圓柱試樣最外層(0～0.2 mm)和次表層(0.2～0.4 mm)碳濃度的影響，滲碳溫度910和930℃時(shí)，最外層碳濃度最高，分別為2.02%和2.07%;而滲碳溫度在950和970℃時(shí)，最外層碳濃度分別為1.49%和1.54%;滲碳溫度在890℃時(shí)，最外層碳濃度最低，為1.12%.

固態(tài)滲碳過(guò)程中，表面碳含量取決于試樣周圍的碳勢(shì).表面碳含量在910～930℃時(shí)達(dá)到最大值，當(dāng)溫度升高到950～970℃時(shí)表面碳含量下降，原因是:隨著滲碳溫度的增加，碳濃度曲線整體向試樣心部移動(dòng)，即滲入試樣內(nèi)部的碳量增加，導(dǎo)致試樣周圍的碳勢(shì)降低，表面碳含量下降.23CrNi3Mo鋼在滲碳過(guò)程中，滲碳溫度選擇910～930℃就可以使試樣表面的碳含量達(dá)到最大，增加外表面和心部的碳濃度差，利于滲碳過(guò)程中碳原子由表面向心部的擴(kuò)散.

圖1 滲碳溫度對(duì)碳濃度的影響

圖2為滲碳溫度930℃時(shí)不同滲碳時(shí)間下試樣表面到心部的碳濃度分布.由圖2可以看到，隨著滲碳時(shí)間的延長(zhǎng)，碳濃度分布曲線由表面向心部移動(dòng)，滲碳層深度增加.同時(shí)結(jié)合不同滲碳時(shí)間下相同碳濃度距表面的距離，23CrNi3Mo鋼在930℃滲碳時(shí)，滲碳時(shí)間達(dá)到4 h以上后，碳濃度曲線每小時(shí)向右平均移動(dòng)0.15～0.20 mm.滲碳時(shí)間為4、7、8和10 h時(shí)，表層碳濃度相差不大，在1.62%～1.73%;次表層碳濃度在1.2% ～1.5%，滲碳時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)表面碳濃度的影響不大.其中，滲碳6 h的最外層碳濃度為2.07%，相對(duì)較高，這是因?yàn)闈B碳6 h的試樣取自滲碳溫度影響，在固態(tài)滲透劑的配制過(guò)程中存在差異，導(dǎo)致固態(tài)滲碳過(guò)程中碳勢(shì)不同，從而使得表面碳濃度出現(xiàn)差異.

圖2 滲碳時(shí)間對(duì)碳濃度的影響

2.2 顯微組織與顯微硬度

將試樣沿橫截面切開(kāi)，觀察由外表面到心部的顯微組織，如圖3所示.

不同的滲碳工藝下，試樣的最外層均存在100～200 μm左右的鐵素體+回火馬氏體+殘余奧氏體的混合組織區(qū)，該區(qū)域組織形成的原因是:滲碳完成后取出試樣淬火的過(guò)程中，試樣在高溫時(shí)與空氣短時(shí)間接觸，導(dǎo)致試樣表面的氧化和微脫碳.次表層為殘余奧氏體+馬氏體混合組織區(qū)，結(jié)合不同滲碳工藝下試樣的碳濃度分布曲線，殘余奧氏體的形成主要與其表面的碳含量較高有關(guān).奧氏體中的碳濃度增加會(huì)使馬氏體轉(zhuǎn)變Ms點(diǎn)下降，奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變量減少殘留奧氏體增多.心部顯微組織均為低碳馬氏體，顯微硬度為HV500左右.觀察圖3顯微組織過(guò)渡情況，在不同滲碳工藝下均出現(xiàn)了一段由深黑色組織向灰色組織轉(zhuǎn)變的情況，這主要是因?yàn)殡S著距外表面距離的增加碳含量逐漸降低，馬氏體的形態(tài)也隨之發(fā)生變化［14］.

針對(duì)滲碳溫度930℃滲碳6 h時(shí)的試樣，分別在距表面0.7～1.0 mm、1.2～1.5 mm和5.7～6.0 mm的位置取樣，采用TEM觀察了其距表面不同位置的顯微組織，如圖4所示.在距表面0.7～1.0 mm和1.2～1.5 mm的位置馬氏體為孿晶馬氏體，在距表面5.7～6.0 mm的位置馬氏體為板條馬氏體.在距表面0.7～1.0 mm的位置還觀察到少量的下貝氏體組織，如圖4(b)所示.

馬氏體形態(tài)變化的主要原因是滲碳后試樣不同位置的碳濃度不同，增加鋼中的含碳量，會(huì)劇烈促使孿晶的形成，隨著碳含量的增加，馬氏體的形態(tài)由條狀變?yōu)闂l狀和片狀的混合組織，以至完全成為片狀.馬氏體形態(tài)的變化也會(huì)對(duì)顯微硬度產(chǎn)生影響.

圖3 不同滲碳工藝由外表面到心部的顯微組織

利用Leica VMHT 30M硬度儀(300 g力)，測(cè)定了不同滲碳工藝試樣由外表面到心部的顯微硬度見(jiàn)圖5.各試樣外表面100～200 μm氧化層的顯微硬度約為HV550.隨著滲碳溫度的提高和滲碳時(shí)間的增加，次表面殘余奧氏體的含量增加，如圖5所示給出了殘余奧氏體區(qū)對(duì)應(yīng)的顯微硬度壓痕，其顯微硬度約為HV275.不同滲碳工藝下顯微硬度峰值均在HV650左右，該位置的馬氏體以孿晶馬氏體為主;基體的顯微硬度約為HV500，基體的馬氏體則以板條馬氏體為主.

圖4 距表面不同位置的TEM組織形貌

圖5 不同滲碳工藝維氏硬度分布

3 討論

3.1 滲碳規(guī)律討論

鋼的滲碳可分為氣氛的形成、吸附、分解、吸收和擴(kuò)散5個(gè)過(guò)程.在固溶體中溶質(zhì)原子的遷移方向是任意的，但當(dāng)固溶體內(nèi)存在濃度差時(shí)，將有較多的溶質(zhì)原子由濃度高的一邊向濃度低的一邊擴(kuò)散，并力求趨向均勻.

滲碳過(guò)程中，滲碳層內(nèi)各區(qū)域碳濃度隨時(shí)間變化，且滲碳過(guò)程中碳的擴(kuò)散速度與試樣表面的碳濃度有關(guān)，綜合考慮不同因素對(duì)滲碳過(guò)程中碳原子擴(kuò)散速度的影響，可用菲克第二定律來(lái)表達(dá)，見(jiàn)式(1)［15］

式中:t為時(shí)間;D為擴(kuò)散系數(shù);濃度C為位置與時(shí)間的二元函數(shù)，C=f(x，t).

滲碳過(guò)程中，滲碳層深度是制定滲碳工藝的關(guān)鍵，而對(duì)于不同的鋼中滲碳層深度的檢測(cè)方法沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn).目前，國(guó)內(nèi)外常用的滲碳層測(cè)定方法有3種:化學(xué)法、金相法和有效淬硬層法.本文采用有效淬硬層法，以HV550作為滲碳層深度的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn).根據(jù)不同滲碳工藝下，試樣外表面到心的顯微硬度分布，得出了23CrNi3Mo鋼在各工藝下的滲碳層深度(表2).

表2 23CrNi3Mo鋼不同滲碳工藝下的滲碳層深度

根據(jù)菲克第二定律，滲碳層深度是溫度和時(shí)間的函數(shù)，不同滲碳溫度和不同滲碳時(shí)間下的滲碳試樣均密封裝于同一個(gè)滲碳罐中.因此，可假設(shè)表面碳濃度為常數(shù)且擴(kuò)散系數(shù)D與濃度無(wú)關(guān)，此時(shí)滲碳層深度與滲碳溫度呈下列指數(shù)關(guān)系［15］:

式中:a和A均為試樣常數(shù);x為滲碳層深度/mm;T為滲碳溫度.

對(duì)式(2)兩邊取對(duì)數(shù)，可轉(zhuǎn)換為

根據(jù)式(3)和表2中不同滲碳溫度下滲碳6 h的滲碳層深度，做出lnx-1/T曲線，如圖6(a)所示.利用Origin進(jìn)行線性回歸，得出b=-6 374.114和A=e7.219=1 365.123.

因此，在滲碳時(shí)間為6 h時(shí)滲碳層深度與滲碳溫度的關(guān)系為

式中:x為滲碳層深度/mm;T為滲碳溫度/℃.

滲碳溫度930℃時(shí)，在不同滲碳時(shí)間下，滲碳層深度與時(shí)間滿足拋物線關(guān)系，如式(5)所示［3］.

式中:x為滲碳層深度/mm;t為滲碳時(shí)間/h;K為常數(shù).

根據(jù)式(5)和表2中930℃不同滲碳時(shí)間的滲碳層深度，做出t-x2曲線，如圖6(b)所示.利用Origin進(jìn)行線性回歸得出K=0.597 2.因此，滲碳溫度為930℃時(shí)，滲碳層深度與時(shí)間的關(guān)系式為

3.2 碳含量與殘余奧氏體關(guān)系

滲碳處理作為一種應(yīng)用廣泛的化學(xué)熱處理，通過(guò)增加低碳鋼或低碳合金鋼的表面碳含量，來(lái)改善鋼制工件的耐磨性和耐久性，使得表面具有硬而耐磨，心部又有強(qiáng)而韌的性能，從而可以承受復(fù)雜的應(yīng)力條件.23CrNi3Mo鋼在滲碳后，由外表面到心部的碳濃度呈現(xiàn)由高到低的變化，如圖1(a)和圖2(a)所示.由于碳濃度的不同在后續(xù)的淬火和低溫回火過(guò)程中外表面到心部的顯微組織會(huì)產(chǎn)生差異，因此，去除各試樣外表面100～200 μm的氧化和微脫碳層，如圖7所示，統(tǒng)計(jì)了不同滲碳工藝下各試樣由外向里的殘余奧氏體含量.

圖6 線性回歸關(guān)系圖

結(jié)合不同滲碳工藝下各試樣的碳濃度分布:①滲碳時(shí)間6 h，滲碳溫度890℃時(shí)，當(dāng)碳濃度≥0.85%會(huì)有殘余奧氏體出現(xiàn);滲碳溫度910～970℃時(shí)，碳濃度≥0.90%會(huì)有殘余奧氏體出現(xiàn).②滲碳溫度930℃，滲碳時(shí)間4～10 h時(shí)，碳濃度≥0.90%同樣會(huì)有殘余奧氏體出現(xiàn).

根據(jù)碳當(dāng)量法［15］，計(jì)算了23CrNi3Mo鋼滲碳后，碳濃度≥0.9%時(shí)，Ms點(diǎn)在57.21℃以下.滲碳過(guò)程中，碳濃度直接影響后續(xù)熱處理過(guò)程中釬具的組織轉(zhuǎn)變過(guò)程.滲碳后碳濃度過(guò)高，奧氏體中的碳濃度增加使Ms點(diǎn)下降，奧氏體穩(wěn)定性增加，在后續(xù)淬火過(guò)程中，容易出現(xiàn)殘余奧氏體，降低試樣表面硬度.

滲碳后合理的表面碳濃度決定了試樣表面的硬度和耐磨性.對(duì)應(yīng)不同滲碳工藝下各試樣的碳濃度分布和顯微硬度分布，得出了不同滲碳工藝時(shí)顯微硬度峰值位置對(duì)應(yīng)的碳濃度，如表3所示.

圖7 試樣由外向里殘余奧氏體含量

結(jié)合23CrNi3Mo鋼在不同滲碳工藝下的碳濃度分布、顯微硬度分布和顯微組織的關(guān)系，得出了23CrNi3Mo鋼在滲碳過(guò)程中，表面碳濃度過(guò)高，在淬火過(guò)程中出現(xiàn)殘余奧氏體降低表面硬度;表面碳濃度偏低，無(wú)法滿足釬具的性能要求.因此，23CrNi3Mo鋼在滲碳過(guò)程中表面碳濃度的合理控制目標(biāo)為0.80%～0.90%.

表3 不同滲碳工藝下顯微硬度峰值對(duì)應(yīng)的碳濃度

4 結(jié)論

1)23CrNi3Mo鋼在滲碳過(guò)程中，滲碳溫度應(yīng)選擇910～930℃，此時(shí)表面碳濃度較高，增加了外表面和心部的碳濃度差，利于滲碳過(guò)程中碳原子由表面向心部的擴(kuò)散，可以提高滲碳速度.

2)23CrNi3Mo鋼在930℃滲碳時(shí)，滲碳時(shí)間達(dá)到4 h以上后，碳濃度曲線每小時(shí)平均由外向里移動(dòng)0.15～0.20 mm.

3)23CrNi3Mo鋼滲碳時(shí)間6 h時(shí)滲碳層深度與溫度的關(guān)系為

滲碳溫度為930℃時(shí)，滲碳層深度與時(shí)間的關(guān)系式為

4)23CrNi3Mo鋼在滲碳過(guò)程中，表面碳濃度的合理控制目標(biāo)應(yīng)在0.80% ～0.90%，碳濃度≥0.90%時(shí)，在淬火過(guò)程中易出現(xiàn)殘余奧氏體，降低表面硬度，影響釬具的使用壽命.

［1］彭俊，歐梅桂，龍潛.幾種釬頭用鋼的基本性能比較［J］.貴州大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28(6):43-47.PENG Jun，OU Mei-gui，LONG Qian.The comparison of basic properties for a few drill bits steels［J］.Journal of Guizhou University，2009，28(6):43-47.

［2］王元輝，程巨強(qiáng)，劉志學(xué).高強(qiáng)度貝氏體釬頭用鋼組織、性能與耐磨性能的研究［J］.鑄造技術(shù)，2005，26(12):1109-1111.WANG Yun-hui，CHENG Ju-qiang，LIU Zhi-xue.Study on microstructure properties and wear resistance of high strengthen bainitic steel for drilling bits［J］.Foundry Techology，2005，26(12):1109-1111.

［3］HOCHENG H，TSAO C C.Effects of special drill bits on drilling-induced delamination of composite materials［J］.Int J Mach Tools Manu，2006，46:1403-1416.

［4］唐殿福.鋼的化學(xué)熱處理［M］.遼寧:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2009.TANG Dian-fu.Chemical heat treatment of steel［M］.Liaoning Science and Technology Publishing House，2009.

［5］杜國(guó)君，王劍.滲碳淬火件殘余應(yīng)力場(chǎng)的有限元模擬［J］.材料科學(xué)與工藝，2011，19(2):10-14.DU Guo-jun，WANG Jian.FEM simulation about residual stress field of carburize quencher part［J］.Materials Science＆ Technology，2011，19(2):10-14.

［6］LIN Y H，QI X，ZHU D J，et al.Failure analysis and appropriate design of drill pipe upset transition area［J］.Eng Fail Anal，2013，31:255-267.

［7］KENAN G，MEHMET D.Effect of case depth on fatigue performance of AISI 8620 carburized steel［J］.Int J Fatigue，1999，21:207-212.

［8］FARFAN S，RUBIO G C，MESMACQUE G.High cycle fatigue，low cycle fatigue and failure modes of a carburized steel［J］.International Journal of Fatigue，2004，26:673-678.

［9］OSMAN A，AHMET C C，JAMES P，et al.The relationship between case depth and bending fatigue strength of gas carburized SAE 8620 steel［J］.Surf Coat Technol，2007，201:5979-5987

［10］余偉，徐立善，陳銀莉，等.回火方式對(duì)調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼組織和性能的影響［J］.材料科學(xué)與工藝，2012，20(1):103-107.YU Wei，XU Li-shan，CHEN Yin-li，et al.Effect of temper method on the microstructure and mechanical properties of quenched-tempered high strength steel［J］.Materlals Sclence＆ Technology，2012，20(1):103-107.

［11］IZCILER M，TABUR M.Abrasive wear behavior of different case depth gas carburized AISI 8620 gear steel.Wear，2006，260:90-98.

［12］鄧群，饒建華，葉凌云.23CrNi3Mo熱處理工藝的實(shí)驗(yàn)研究［J］.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，22(4):9-10.DENG Qun，RAO Jian-hua，YE Ling-yun.Experiment study of heat treatment for 23CrNi3Mo［J］.Journal of Hubei University of Technology，2007，22(4):9-10.

［13］彭宏偉.液壓鑿巖釬尾的選材與熱處理工藝［C］//2009年全國(guó)釬鋼釬具會(huì)議.武漢:［S.n.］，2009.221-224.PENG Hong-wei.Material selection and Heat Treatment of Hydraulic rock drill tail［C］//2009 National Conference of drill steel and drill tool.Wuhan:［S.n.］，2009.221-224.

［14］喬志霞，劉永長(zhǎng)，嚴(yán)澤生，等.30CrNi3MoV低合金超高強(qiáng)鋼中的馬氏體相變［J］.材料科學(xué)與工藝，2012，20(5):138-142.QIAO Zhi-xia，LIU Yong-chang，YAN Ze-sheng，et al.Martensitic transformation in the 30CrNi3MoV low-alloy ultra-high strength steel［J］. MaterialsScience ＆Technology，2012，20(5):138-142.

［15］李智超，李鵬硯，王明罡.Ms點(diǎn)的碳當(dāng)量計(jì)算法［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，17(3):29-31.LI Zhi-chao， LI Peng-xian， WANG Ming-gang.Computation of Ms temperature in carbon equivalence method［J］.Journal of Liaoning Technical University，1998，17(3):29-31.