大型零件滲碳時隨爐試樣過渡區裂紋的原因和預防

摘 要:本文論述了滲碳層要求較深的大型零件滲碳時，隨爐滲碳試樣過渡區產生裂紋而滲碳的大型零件沒有產生裂紋以及滲碳試樣過渡區產生裂紋的原因和預防。

關鍵詞:滲層過渡區裂紋 馬氏體轉變組織應力 滲碳試樣

中圖分類號:TG21文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)04(c)-0065-01

1 引言

滲碳層要求較深的大型零件滲碳時(如硬化層大于2mm)，隨爐的滲碳試樣就顯得滲碳層深、截面小，經常產生過渡區裂紋。由此懷疑同爐生產的滲碳零件上也產生裂紋，引起一系列的麻煩。經多次試驗和金相分析確定滲碳零件上沒有產生裂紋。

過渡區是指滲碳層和心部非滲碳基體之間含碳量由高到低的過渡區域。過渡區裂紋是在過渡區與表面平行的斷續裂縫，嚴重時裂縫能連成一周使環形滲碳層與心部脫開。

2 試驗件的制備

試驗材料:17Cr2Ni2Mo

試樣尺寸:滲碳試樣尺寸是φ12×40圓柱體，其外圓上對稱地加工出寬約8～10mm兩個互相平行的平面。

滲碳齒輪:有效滲碳硬化層大于2mm。

3 隨爐滲碳試樣過渡區產生裂紋的原因和過程分析

隨爐滲碳試樣過渡區裂紋的產生主要與滲碳后試樣的冷卻速度，滲層奧氏體碳濃度、滲層深度以及材料淬透性等因素有關。凡能增加滲層馬氏體轉變組織應力的因素都能促使滲層過渡區裂紋的產生，反之可使裂紋形成傾向減小或不發生裂紋。

滲碳試樣過渡區裂紋出現在滲碳后空冷，以及淬火油冷過程。經金相分析，試樣滲碳層均發生了馬氏體轉變。裂紋最早出現在兩個面相交處的皮下，小裂紋略偏向圓弧面一側;嚴重時裂紋貫穿四周使滲碳層與心部脫開，但兩面相交處皮下裂縫最寬。從以上的金相組織和裂紋形態不難看出，裂紋是淬火組織應力作用所形成的。

滲碳試樣快冷時滲層發生了馬氏體轉變，體積膨脹使表層沿表面方向擴展，而心部是低碳區沒有馬氏體轉變不發生體積膨脹。四周表層都在擴展，其合力是垂直向外的拉應力，尤其是兩個面相交處，表層膨脹力的合力最大，這是裂紋源在此產生的原因。表層繼續膨脹，裂紋將沿表面擴展以至使裂紋閉合，這時使表層與心部脫開成薄壁圈。

4 隨爐滲碳試樣過渡區產生裂紋而滲碳齒輪上沒有裂紋的原因分析

經上述分析，滲碳試樣過渡區裂紋是淬火裂紋，產生裂紋的前提是發生馬氏體轉變，只有發生淬火才有馬氏體轉變。而滲碳齒輪沒有發生淬火，經多次生產試驗和金相分析證明了這一點。首先是冷卻速度，每爐滲碳后空冷時，將三個滲碳試樣單獨空冷，再將相同數量的滲碳試樣與滲碳齒輪接觸在一起空冷。經金相檢查，產生裂紋的滲碳試樣均是滲碳后單獨空冷的試樣。原因是試樣重量約50g，而滲碳齒輪重0.5～1t。空冷降溫速度齒輪比試樣慢十幾倍;滲碳出爐空冷過程中小試樣冷到100℃以下只用了十多分鐘，發生了淬火，而齒輪冷到100℃以下須2h以上，與滲碳后齒輪接觸在一起空冷的試樣因冷速低沒發生馬氏體轉變即沒發生淬火，此試樣沒有產生裂紋。由此可斷定齒輪沒發生淬火，不具備產生淬火裂紋的條件。

除金相分析可斷定單獨空冷的滲碳試樣發生淬火，而齒輪沒有發生淬火外，用硬度檢查也可證明這一點。滲碳后單獨空冷的試樣表面硬度是HRc56～58，這是滲碳層馬氏體的硬度，由此硬度可斷定此試樣發生了淬火;而測量滲碳后空冷的齒輪表面硬度為HRc45～48，這不是滲碳層馬氏體硬度而是屈氏體的硬度，即滲碳后空冷的齒輪沒有發生馬氏體轉變，沒有產生淬火裂紋的條件。

有的試樣即使發生了淬火，但因冷卻速度慢也不產生過渡區裂紋，所有的隨件滲碳試樣中，發生過渡區裂紋的試樣只占少數，滲碳出爐空冷時與齒輪挨得比較近的試樣降溫稍慢，這些空冷速度稍慢的試樣沒產生裂紋。而齒輪空冷速度比沒發生裂紋的試樣慢得多，由此也可推斷齒輪不會產生裂紋。

幾年來，凡試樣發生過渡區裂紋，與此同爐滲碳的齒輪均進行滲碳面探傷，結果是所有的滲碳齒輪上都沒有裂紋。

5 防止隨爐滲碳試樣過渡區產生裂紋的措施

滲碳終止出爐空冷時，使隨爐試樣靠在大型零件上或出爐后立即用保溫層(如硅酸鋁氈)復蓋減慢試樣冷卻速度，可防止裂紋產生;淬火時將試樣預冷后下油，這樣也可以減慢冷卻速度(但冷卻速度還是快于零件)，防止裂紋產生;將試樣表面延縱向涂上幾條距離相等的防滲帶(如前述試樣只涂圓弧面)，這樣使試樣表面滲碳層和非滲碳區(低碳區)相間，淬火時非滲碳區不但沒有膨脹，還因бs低能隨滲層的膨脹力流動，使應力釋放，將產生裂紋的應力減小到安全程度。這些都是經多次生產驗證的有效辦法。

6 結論

對于大型零件深層滲碳以及淬火時，隨爐滲碳試樣過渡區裂紋只是發生在試樣上，而滲碳件上不會發生裂紋。應該設法防止隨爐滲碳試樣產生裂紋，以避免不必要的誤會和麻煩。(第一作者單位:哈爾濱汽輪機廠有限責任公司)