20鋼滲碳工藝

宋勁松，徐曉東，田 野，卞豪亮，蘇浩男，張曉飛

(1.承德石油高等?？茖W校 工業技術中心，河北 承德 067000；2.承德江鉆石油機械有限責任公司，河北 承德 067000)

20鋼滲碳工藝

宋勁松1，徐曉東1，田 野1，卞豪亮1，蘇浩男1，張曉飛2

(1.承德石油高等?？茖W校 工業技術中心，河北 承德 067000；2.承德江鉆石油機械有限責任公司，河北 承德 067000)

通過金相顯微鏡分析及顯微硬度的測試研究了20鋼的滲碳工藝及力學性能，結果表明：隨著滲碳時間的延長，滲碳層的厚度逐漸增加，滲碳過程符合Fick第二定律；經滲碳處理工件表面的顯微硬度是未經滲碳處理的2.5倍，達到442.4 HV0.3，顯著地提高了20鋼表面的強度。

20鋼；滲碳處理；力學性能；顯微組織

20鋼屬于優質碳素結構鋼，具有優良的韌性以及冷變形塑性，在汽車及機械制造業中廣泛用作零部件，但其硬度低，耐磨性差的缺點嚴重地限制了其應用范圍。為保證20鋼在不丟失良好的塑韌性的同時還具有優良的硬度及耐磨性能，國內外學者做了大量的研究工作，其中主要是采用表面強化技術，其中包括滲碳，滲碳是指在一定溫度下加熱和保溫，使活性碳原子滲入到工件的表層及次表層中，通過改變工件表面的化學成分而形成碳化物硬質相，來獲得所需的力學性能[1-3]。在實驗中選用常用的20鋼，分析了滲碳時間、滲層深度及組織變化之間的關系，總結不同滲碳時間對20鋼顯微組織及性能的影響及變化規律。

1 實驗材料與方法

1.1實驗材料

實驗材料為20鋼，其化學成分(質量分數)為：0.19%C、0.22%Si、0.53%Mn、0.011%P、0.004%S、0.035%Al，Ac1點和Ac 3點分別為729 ℃和815 ℃[4]。固體滲碳劑主要是由木炭粒和碳酸鹽(BaCO3或Na2CO3等組成)組成，其中木炭粒是主滲劑，碳酸鹽是催滲劑。

1.2實驗方法

尺寸為Φ10 mm×30 mm的試樣埋裝在滲碳箱中(見圖1)，將滲碳箱放入SX2型箱式電阻爐內進行固體滲碳，其中密封劑的作用是防止滲碳件氧化及活性碳原子的逸出，滲碳時間分別為0 h、2 h、4 h、6 h、8 h、10 h。將滲碳后的試樣用4%的硝酸酒精腐蝕，在MDS倒置金相顯微鏡上進行顯微組織的觀察、金相照片的拍照及滲碳層厚度的初步測定，將觀察后的試樣在SHIMADZU HMV-2型顯微硬度計進行試樣顯微硬度的測量，載荷為300 g，時間為15 s，為減少實驗誤差，實驗選擇測量20個點取平均值的方法來衡量表層，過渡層及心部的硬度值。

2 實驗結果與分析

2.1顯微組織

未經滲碳處理工件的金相照片如圖2(a)所示，其顯微組織由亮白色的鐵素體及暗黑色的珠光體構成，由于本實驗所用材料為20鋼，含碳量較低，因此鐵素體所占比重較大，圖中鐵素體的亮暗程度不一是由于腐蝕程度不同造成的。經過滲碳處理工件的表面層、過渡層及中心部分的金相照片如圖2(b)～圖2(d)所示。由圖2可知，經滲碳處理工件的晶粒尺寸相較于未經滲碳處理工件均有不同程度的變大，這是由于本實驗的加熱溫度為930 ℃，遠遠高于20鋼的Ac3線，且冷卻方式為隨爐冷卻，冷卻速度十分緩慢，冷卻過程中晶粒的長大符合Ostwald熟化機制[5]，在冷卻過程中形成的大奧氏體晶粒吞并小的晶粒，從而使晶粒長大。經過滲碳處理工件從表面至心部的顯微組織均發生了明顯的變化，表面由白亮色和暗黑色相間變為全部的暗黑色組織，根據暗黑色組織和亮白色組織的比例，稱此層為“表層”，距離心部較近的過渡層中暗黑色和亮白色組織各占一半，稱此層為“過渡層”，心部組織除晶粒稍有增大外無明顯變化，稱此層為“心部”。

2.2滲碳時間對滲層深度的影響

滲碳時間分別為0 h、2 h、4 h、6 h、8 h、10 h的滲層深度如圖3所示，由圖3可知，隨著時間的延長，滲層深度是逐漸增加的，當滲碳時間為10 h時，滲層深度達到最大值，滲層深度為 1 270 μm。

滲層深度的增長速率是逐漸降低的，保溫時間越長，其增長速率越小，符合Fick第二定律。這是因為隨著滲碳時間的延長，部分活性碳原子滲入工件內部，使得滲碳箱內部的碳勢降低，活性碳原子在擴散過程中驅動力減小，此外，隨著滲層深度的增加，活性碳原子向工件內部擴散路徑增加，阻力也隨之大大增加，綜合起來導致滲層深度增加的速率逐漸降低。

2.3力學性能測試

硬度是材料強度及韌性的綜合指標，對衡量材料的綜合力學性能具有重要意義，對組成物或組成相的形態不十分敏感，它的大小主要取決于組成相的數量和硬度。

實驗對保溫時間為10 h滲碳件的表層、過渡層以及心部進行了顯微硬度的測試，測試結果如圖4所示。由圖可4知，工件的顯微硬度由心部至表面逐漸增大，這是由于鐵碳合金中鐵素體是軟韌相，滲碳體是硬脆相，經滲碳處理的鐵碳合金由心部至表層含碳量逐漸增加，高硬度的滲碳體增多，低硬度的鐵素體減少。

此外，大面積存在于過渡層和表層的由鐵素體與滲碳體組成的片層相間的珠光體組織大大提高了鐵碳合金的硬度，因此，由心部至表層滲碳件的硬度呈升高趨勢。存在于表層沿奧氏體晶界呈網狀分布的先共析滲碳體(如圖5所示)也起到了一定的強化作用，所以表層的硬度最高。

3 滲碳層形成過程分析

鋼之所以能夠滲碳，是因為鋼在高溫奧氏體狀態時，其晶體結構為面心立方，間隙較大，對碳具有相對大的溶解度(2.11%)，鋼的滲碳就借助這個原理。但是，并不是所有狀態的碳都可以被鋼表面所吸收，只有活性碳原子才能被鋼表面吸收，被吸收的碳原子，在高溫狀態下由外向內擴散，從而形成一定厚度的滲碳層。本次實驗采用固體滲碳的方法，就是將固體滲碳劑與試件一同放入密封的滲碳箱內，在930 ℃下進行保溫一段時間后隨爐冷卻。

活性碳原子的形成過程如下：

固體滲碳劑不完全燃燒形成CO，反應為：

2C+O2=2CO

在高溫下，CO與20鋼表面接觸，分解出活性碳原子，反應為：

其他反應形成活性碳原子：

CO+H2=H2O+[C]

(含碳化合物的分解，形成活性碳原子用[C]表示)

20鋼為典型的體心立方結構，其結構中的主要空隙是兩個相鄰晶胞的體中心鐵原子形成的八面體間隙。對20鋼滲碳的過程，就是在加熱環境下溶質碳原子從工件的表層擴散到內層組織的過程，即活性碳原子從鐵晶格外部遷移到鐵晶格的八面體間隙中的過程[6,7]，其具體過程可分為三個階段：

第一階段：γ狀態的飽和滲碳。

20鋼在930 ℃下為奧氏體狀態，在未滲碳的情況下其含碳量大概為0.19%，遠遠沒有達到飽和狀態，因此外界存在的活性碳原子便優先進入到奧氏體的八面體間隙中，隨后進入到四面體間隙中，隨著滲碳時間的延長，工件的最表層便達到奧氏體飽和狀態[8,9]。

第二階段：過渡層的形成。

隨著滲碳時間的延長，外界的碳勢還足夠高，而最表層的奧氏體已經達到了飽和狀態，已經進入到奧氏體間隙中的碳原子將向著碳原子濃度低的方向擴散，此外，外界的活性碳原子順著微裂紋、位錯等擴散通道向工件內部繼續擴散，從而形成了由飽和奧氏體和未飽和奧氏體組成的過渡層。

第三階段：形成過飽和層。

根據Fick第二定律，當碳飽和的奧氏體層以及過渡層有一定的厚度，而外界的碳勢依然很高時，活性碳原子會繼續向工件擴散，由于表層的奧氏體已經達到飽和狀態，因此，活性碳原子便存在于點缺陷等間隙處，這些碳原子并沒有進入到鐵原子的晶格中，而是以游離的狀態存在于間隙中，最終碳化物的堆積形成碳過飽和層。

4 結論

1)隨著滲碳時間的延長，滲層深度逐漸增加。滲碳過程符合Fick第二定律，而其晶粒的長大方式符合Ostwald熟化機制。

2)20鋼經930 ℃、10 h滲碳處理后，其表面硬度是未經滲碳處理的2.5倍，達到了442.4HV0.3，顯著地提高了20鋼表面的強度，為20鋼更廣闊的的應用提供了可能。

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CarburizationProcessfor20Steel

SONG Jin-song1, XU Xiao-dong1, TIAN Ye1, BIAN Hao-liang1,SU Hao-nan1, ZHANG Xiao-fei2

(1.Industrial Technology Center, Chengde Petroleum College, Chengde 067000, Hebei, China；2.Chengde Kingdream Petroleum Machinery Co., LTD, Chengde 067000, Hebei, China)

The carburization process and mechanical proprieties of 20 steel were studied by metallographic microscope and microhardness. The results show that the thickness of layer were gradually increasing with the time, carburizing process conforms to the Fick second law. After carburizing treatment the microhardness on the surface of the workpiece is 2.5 times than without carburizing treatment. The microhardness can be up to 442.4 HV.The strength of the surface of 20 steel were improved significantly.

20 steel; carburizing treatment; mechanical property; microscopic structure

TG156

A

1008-9446(2017)04-0044-04

2016-11-29

宋勁松(1990-)，男，河北承德人，助教，主要從事機械加工和教學，E-mail：sjspc1@163.com。