硼在渗层中的行为与渗层淬透性

D0I:10.13374/j.issn1001一053x.1984.04.010 北京钢铁学院学报 1984年第4期 硼在渗层中的行为与渗层淬透性 北京钢铁学院褚幼义贺信莱 南昌齿轮厂 陈治国吴锦尧* 摘要 含钢化学热处理时，由于C、N、B之间的相互作用，B在整个巡层范图内发生明显的再分布在海碳层中主要表现 为表层B的宫集和次表层B的贫化，在碳辄共卷层中则主要表现为表层和次表层内有大量BN形成以及在很宽的范图内固 溶强量很低 B的这种再分布对渗层材料的谇透性带来显著影响。在恣碳层中，除了要考虑C本身的作用和C对B效应的影响外，还 婴考意次表层B贫化的影响。在碳氮共酱层中，大量BN的形成对酱透性有显普的不利影响，固溶硼贫化的作用也表现得 更为突出。 翻钢是海碳钢中的一个重要钢种，发展和推广它的应用，对于节约合金资源，节能以 及提高经济效益，具有重要的实际意义。例如：我国采用25 MnTiBR钢代替18 CrMnTi钢 生产农机齿轮，不但节约了Cr,降低了钢材成本，而且使用寿命明显提高C1,2]。 微量硼能显著提高钢的淬透性。对于滲碳钢来说，不仅要求母材有高的淬透性，而且 要求善层范围内也有足够高的淬透性，使有效层深达到一定要求，避免出现非马氏体的 “黑色组织”缺陷。生产实践表明，硼钢特别是采用碳氮共渗工艺时，如果渗入工艺控制 不当，除了表层而且在次表层易于出现“黑色组织”，严重的黑色组织会对齿轮的使用性 能带来不利的影响[3]，迫切要求研究解决。 早期Jatczak和Rowland[4们，Grange和Mitchell[5]以及关启标和李林[6]的工 作，根据钢的淬透性随钢中含C量增加而增加，达到共析成分时达到最大值[]以及B提 高淬透性的效应随钢中含C量的增加而降低，当含C量达到共析成分附近时消失[8]的试 验结果，分析研究了硼钢的遂层淬透性，但是他们[56]的试验结果发现，渗层中B提高淬 透性的效应随含C量的变化规律，与Rahrer和Armstrong[8]在非渗碳钢中所得的结果 不同，前者的变化较复杂，对此未能给予说明。 后来，在Llewellyn和Cook[9]的工作中，发现了硒钢在丙烷空气气氛中善碳时， 渗层中B的分布发生变化的现象，他们把这归因于表层有少量N渗入的结果，但未对渗层 中C、N、B三者之间相互作用进行深入的研究，来能将这种变化与渗层淬透性的变化 连系起米。 为此，本文研究了渗碳和不同碳氮共渗工艺中，B在渗层中的行为及其对渗层淬透性的 影响，为硼钢的推广应用及制定合理的碳氮共渗工艺提供依据。关于碳氮共诊工艺参数对 硼钢渗层淬透和黑色组织彭响的规律，另有文[10]报导和讨论。 ·南昌齿轮厂热处理车间和中心试验室试验组以及南昌齿轮研究所的金属材料组参加了试黔T作，北京钢铁学院 华业生洪强参加了试验工作。 102

北 京 铜 铁 学 院 学 报 一 一年 绍一期 硼在渗层中的行为与渗层淬透性 湘 京钢 铁 学院 褚 幼 义 贫信 莱 南 昌齿枪厂 陈治 国 吴锦尧 摘 要 含硼钢化学热处理时 ， 由于 、 、 之间的相互作用 ， 在整 个渗层范围内发生明显 的再分布在渗碳层 中主 要表现 为表层 的富集和次表层 的贫化， 在碳氮共渗层 中则主要表现 为表层和次表层 内有大量 形成 以及在很宽的范围内固 溶翻 很低 的这种再分布对渗层材料的 淬透 性带来显著 影响 。 在渗碳 层 中 ，除了要考虑 本身的 作用 和 对 效应的影响外 ，还 要考虑次表层 贫 化的影响 。 在 碳氮共渗层 中 ，大量 的形成对渗透性有显著的不利影响 ， 固溶翻贫 化的作用 也表现得 更为突出 。 硼钢是渗碳钢中的一个重要钢 种 ， 发展和 推广它的应用 ， 对于节约合金资源 ， 节能以 及提高经济效益 ， 具有重要 的实际意 义 。 例如 我 国采用 钢代替 钢 生产农机齿轮 ， 不但节 约了 ， 降低了钢材成本 ， 而且使用寿命 明显提高 ，幻 。 微量 翻能显著提高钢 的淬透性 。 对于渗碳钢来说 ， 不仅要求母材有高的淬透性 ， 而且 要求渗层范围 内也有足够高的淬透性 ， 使有效层深达到一定要求 ， 避 免出现非 马 氏 体 的 “ 黑色组织” 缺陷 。 生产实践表 明 ， 硼钢特别是采用碳氮共渗工艺 时 ， 如果渗入工艺控制 不 当 ， 除了表层而且在次表层易于 出现 “ 黑色 组 织” ， 严重的黑色组织会对齿轮的使用性 能带来不利的影响 〔 〕 ， 迫切要求研究解决 。 早期 和 弓〕 ， 和 〕 以及关启标和 李 林 〕 的 工 作 ， 根据钢的淬透性随钢 中含 量增加而增加 ， 达到共析成分时达到最大 值 〕 以 及 提 高淬透性的效应随钢 中含 量 的增加而 降低 ， 当含 量达到共析成分 附近时 消 失 〔幻 的 试 验结果 ， 分析研究了硼钢 的渗层悴透性 ， 但是他们 〕的试验 结果 发现 ， 渗层 中 提 高 淬 透性 的效应 随含 量 的变化规律 ， 与 和 〔 〕 在非渗碳钢 中所得的 结 果 不 同 ， 前者的变化较复杂 ， 对此未能给予说明 。 后 来 ， 在 和 。 。 〔幻 的工 作中 ， 发现 了硼钢在丙 烷 空 气气氛 中 渗 碳 时 渗层 中 的分布 发生变化 的现 象 ， 他们把这 归 因于 表层 有少量 渗入 的结果 ， 但未对渗 层 中 、 、 三 者之 间相 互 作用进 行深 入 的研 究 ， 更 未 能将 这种变 化与渗层 淬透性的 变 化 连 系起 来 。 为 此 ， 本文研究了渗 碳和 不 同碳氮共 渗工 艺 中 ， 在 渗层 中的行为 及 其对渗层 淬透性的 影 响 ， 为 硼钢 的推广应 用及制定 合理 的碳氮共渗工 艺提供依据 。 关于 碳氮共渗工艺参 数对 硼钢渗层 淬透和 黑色组织 影响的规律 ， 另有文 ” 〕 报 导和 讨论 。 ， 南 昌齿轮厂热处 理 车间 和 中心 试验 室 试 验组 以 及 南 昌齿 轮 研 究 所 的 企 属 材料织 参 加了 试， 丁 竹 ， 北 京钢 铁学 院 毕业 生 洪 强 参加了 试脸 工 作 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1984．04．010

一、实验用钢及热处理工艺 采用平炉冶炼的25 MnTiBR钢和18 CrMnTi钢进行试验，钢材化学成分列于表1。 表1 试验钢的化学成分(%) 元 素 C Mn Si Ti RE P s Cr N 25MnTiBR 0.25 1,55 0.34 0.0970.00270.0020 0.012 0.020 0.02 0.004 18CrMnTi 0.20 1.03 0.28 0.10 0.0150.0151.14 0.008 化学热处理在JT-75井式气体渗碳炉中进行。渗碳介质为煤油。碳氮共滲介质为煤油 和氨气。试样的化学热处理方案分为两类。 一类以生产中采用的920°C渗碳降至850°C淬火和850°C碳氮共渗直接淬火工艺，同 炉进行25 MnTiBR和18 CrMnTi钢的对比试验。 另一类是为了系统地研究化学热处理过程中B的行为以及碳氨共渗工艺的影响，用正 交设计改变碳氮共渗工艺中的主要参数，选用L9(3)正交表对25 MnTiBR钢按排了九炉试 验（炉号22一30），并进行了一炉870C海碳 106 对比试验（炉号31)。热处理工艺如图1所 75 示，试样装炉完毕，升温，滴入煤油，排气油 50 量为250d/min(d一谪)，早期不供氨，上区 25 NN. ----L AL. 到温开始供排气氨，排气良好(C0,≤0.4%) 一一铺API指E,ET. 一·起A,了，AL -山iw,ETAL 后开始关孔，计算共滲时间，并按计划要求供 20 4660 5100 共渔氨量和共海油量，共渗时间均为3小时， p'pm 装炉时试样放在上筐，其余装入25 MnTiBR钢 图1化学热处理工艺曲线示意图 齿轮。试验中变化共滲温度、排气氨量、共海 表2化学热处理试验方案 纳 号 共滲温度·C 排气氨量m3/h 共海氨量m3/h 共海油量d/min 22 870 0.005 0.03 100 23 870 0.03 0.06 40 24 870 0.06 0.005 160 25 860 0.005 0.06 160 26 860 0.03 0.005 100 27 860 0.06 0.03 40 28 840 0.005 0.005 40 29 840 0.03 0,03 160 30 840 0.06 0.06 100 31 870 / 110 103

一 、 实验用钢及热处理工 艺 采用平炉冶炼的 钢和 钢进行试验 ， 钢材化学成分列于 表 。 表 试验铜的化学成分 二 一鱼 …上…竺 一里一 业 一 … 一 一 生…竺 鲤竺 竺生… 一 生兰… 一兰色… 一 生子 ‘ 一 … 一 哩 ‘些竺… 。 · “哩 ‘ ” · 】 ’ · ” · … ” · … 一 二 二一 全丝兰卫鲤 】 …之咒 。 。 。 。 化学热处理在 一 并式气体渗碳炉 中进 行 。 渗碳介质为煤油 。 碳橄共渗介质为煤 油 和氨气 。 试样 的化学热处理 方案分为两 类 。 一 类以生产 中采 用 的 渗碳降至 淬火和 碳氮共渗直接淬 火 工 艺 ， 同 炉进行 和 ‘ 钢的对 比试验 。 另一类是为 了系 统地研究化 学热处理过程 中 的行为 以及碳氮共渗工 艺的影响 ， 用正 交设计改变碳氮共 渗工艺 中的主要参数 ， 选用 ‘ 正 交表对 钢按排了九炉试 广丫一一一一一一一一一一一一一门 验 炉号 一 ， 并进行了一炉 渗碳 价附曰 簇边忍于 一仲叫软，洲 柑刀 。 … 门月“ ， 月‘ ， 一 一 月一扭咚户居从卜 ， 月‘ 一 · 倪峥成翻自，节朴冉‘ · 一 “ 右侧宙比丫即 ‘ 声‘ 叫训那。 权次坦限 犷侧沪 愉尸前一有一， 南丁 图 化学热处理工艺 曲线示意图 表 对 比试验 炉号 。 热处 理 工 艺如图 所 示 ， 试样装炉完毕 ， 升温 ， 滴入煤油 ， 排气油 量为 一滴 ， 早期不供纸， 上 区 到温 开始供排气氨，排气 良好 镇。 后开始关孔 ， 计算共渗时间 ， 并按计划要求供 共渗氨量 和共渗油量 ， 共渗时间均为 小时， 装炉时试样放在上筐 ， 其余装入 钢 齿轮 。 试验中变化共渗温度 、 排气氨量 、 共渗 化学热处理试验方案 共 渗温度 。 排气氨量 共渗氨量 吕 共渗油量 口比 了了矛 。 。 。 。 。 。 ，曰‘ 勺‘几任 。 。 。 。 。 。 曰曰，匕八了 七任内︸ ︸ ‘工曰‘ 。 八甘 。 。 。 。 。 自，︸ 只︸︺

氨量和共渗油量四个工艺因素，各取三个水平。各炉工艺参数列于表2。 二、实验方法 2.1渗层淬透性试验 采用标准的中25mm淬透性试棒。化学热处理时将试棒吊入炉内，滲毕迅速提出，直 接进行端淬。每炉一根试棒，测定不同渗层深度处的淬透性。磨面距表面深度依次为0.06、 0.14、0.20、0.26、0.32、0.385、0.445、0.50、0.56和0.63mm。在磨面中心沿试样长 度方向，逐层用维氏硬度（负荷5Kg)测定端淬硬度曲线。为了避免上一层的印痕对下一 层的影响，上下两层的硬度测定点相互错开。图5中典型地示出了一组距表面不同深度的 渗层端淬曲线。以曲线上维氏硬度降低至最高硬度90%处的端淬距离（小。）或曲线上拐 点相应的端淬距离一半马氏体距离(J5),作为衡量淬透性的指标。 2.2剥层化学分析 用剥层化学分析法测定沿渗层深度成分的变化。试样尺寸为25×120mm,表面光法 度为77，外圆摆差要求小于0.01mm。每炉两根试棒。处理时将试样吊入炉内，渗毕提 入炉子上部的炉筒内，在与炉内相同的气氛下缓冷后取出。在车床上剥层，由表向内共剥 九层，每层深度依次为0.06、0.05、0.05、0.10、0.10、0.15、0.15、0.15、0.15mm。前 三层的剥屑量较少，将两个试样的剥屑混合后进行分析，后六层则分别分析后取平均值。用 化学分析法测定了每层中C、N、总硼(Bt)、酸溶硼(Bs)以及M、Ti、Si的含量。 总丽与酸溶硼之差为酸不溶硼，通常主要是BN。含B量低于5ppm时分析不准确。 2.3金相及径迹显微照相分析 试验在测定渗层金相组织的试样上进行。该技术利用热中子辐照引起的10B裂变反应： 10B+'n→·α+TLi,用紧贴在试样上的醋酸纤维薄膜加以探测，薄膜经蚀刻后，便可直接 显示出试样中硼原子在海层中的微观分布状态。该方法探测硼的灵敏度达~1Ppm,硼的 空间分布鉴别率为~2μm。该法的细节及其改进详见文献[11]和[12]。 三、实验结果 3.1醒钢滟层淬透性的特点 试验首先对比了含硼钢和不含硼锅的滲层淬透性。25 MnTiBR钢和18 CrMnTi钢同炉 海碳和碳氮共滲后的滲层淬透性结果示于图2和3。两种钢的渗层C、N浓度有所差异，为 了比较绘成谇透性随渗层含C量（逡碳）或C+N量（碳氮共渗）的变化曲线（图4）。由图可 见，渗碳时两种钢的渗层谇透性有相似的变化趋势，随含碳量增加而增加，达最大值后降 低，但含B钢增加的幅度较低，最大值相应的含碳量也稍低。然而碳氮共渗时，两种钢的 滲层淬透性则有显著的差异。18 CrMnTi钢的变化趋势与滲碳时基本相同，仅淬透性增加 的幅度比渗碳时低。然而25 MnTiBR钢的碳氮共滲层淬透性却出现下降的趋势，在次表层 达最低值，整个滲层的淬透性较低。在此基础上进一步进行了硼钢的系统试验。 3.2滲碳试验结果 为了与碳氮共海进行对比，在870°C下进行滲碳（第31炉）。善层距表面不同深度处 104

氨量 和共渗油量 四个工艺因素 ， 各取三个水平 。 各炉工 艺参数列 于表 二 、 实 验 方 法 渗层淬透性试验 采用标准 的今 淬透 性试棒 。 化 学热处理 时将试棒 吊入炉 内 ， 渗毕迅 速提 出 ， 直 接进行端淬 。 每炉一根试棒 ， 测定不 同渗层深度处 的淬透性 。 磨面 距表面深度依次为 、 、 。 、 。 、 。 、 、 。 、 。 、 和 。 在磨面 中心 沿试样长 度方 向 ， 逐层 用维 氏硬度 负荷 测定 端淬硬度 曲线 。 为 了避 免上一层 的印痕对下一 层 的影 响 ， 上下两层 的硬 度测 定 点相互错开 。 图 中典型地 示 出 了一组距表面不 同 深 度 的 渗层 端淬 曲线 。 以 曲线上维 氏硬度降低至最高硬度 处 的端淬距 离 ，。 或 曲 线 上 拐 点相应 的端淬距离－半马 氏体距 离 ，。 ， 作为 衡量淬透 性的指标 。 剥层化学分析 用剥层 化学分析法测 定沿渗层深度 成分 的变化 。 试样尺 寸为小 ， 表 面光 浩 度为 ， 外 圆摆差要求小于 。 每炉两根试 棒 。 处理 时将试样吊入 炉 内 ， 渗 毕 提 入炉子上部的炉筒内 ， 在 与炉内相 同的气氛下缓冷后取 出 。 在车床上剥层 ， 由表 向内共剥 九层 ， 每层深度依次为 、 、 、 、 、 、 、 、 。 前 三层 的剥屑量较少 ，将两个试样的剥屑 混合后进 行分析 后六层 则分别分析后取平均值 。 用 化学分析法测 定 了每层 中 、 、 总硼 、 酸溶硼 以及 、 、 的 含 量 。 总硼 与酸溶硼之 差为酸不溶硼 ， 通常主要是 。 含 量低 于 时分析不 准确 。 金相及径 迹显微照相分析 试验在测定渗层金相组 织 的试样上进行 。 该技术利用热中子 辐照 引起 的 ’ ” 裂变反应 ，。 ’ ， ‘ ’ ， 用紧贴在试样上 的醋酸纤维薄膜 加以探测 ， 薄膜经蚀刻后 ， 便可直接 显示 出试 样中硼原子在渗层 中的微观分布状态 。 该方法探测 硼 的灵敏度 达 ， 翻 的 空 间分布鉴 别率为 协 。 该法 的细节及 其改进详见文献 〔 〕 和 〔 〕 。 三 、 实 验 结 果 硼钢渗层淬透性的特 点 试验首先对 比 了含硼 钢和不含硼钢 的渗层淬透性 。 叭 钢和 钢 同 炉 渗碳和碳氮共渗后 的渗层淬透 性结果示于 图 和 。 两 种钢 的渗层 、 浓度有 所 差 异 ， 为 了比较绘成淬透性随渗层含 量 渗碳 或 量 碳氮共 渗 的变化 曲线 图 。 由 图 可 见 ， 渗碳时两种钢的渗层淬透 性有相似 的变化趋势 ， 随含碳量增加而 增加 ， 达最大值后 降 低， 但含 钢增加的幅度 较低 ， 最大值相应 的 含 碳量也稍低 。 然而碳氮共渗时 ， 两 种钢 的 渗层淬透 性则有显著的 差 异 。 钢 的变化趋势与渗碳时基本相 同 ， 仅淬透性增加 的幅度 比渗碳时低 。 然而 钢 的碳氮共渗层淬透性却出现 下降的趋势 ， 在 次表 层 达最低值 ， 整个渗层 的淬透性较低 。 在此基础上进一步进行了翻钢的系统试验 。 渗碳试 验结果 为 了与碳氮共渗进行对 比 ， 在 。 。 下进行渗碳 第 炉 。 渗层距表面不 同深度处

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30 251nTiD.海碳.渗碳共渗 18Crlfil'-- 18 1 14 12 1o叶 1.11.00.90.8070.60.50.40.30.20h C,(C+) 图4 25 MnTiBR钢和18 CrMnTi钢渗碳和碳氮共渗层中淬透性随含C量 (渗碳)和C+N量（碳氨共渗）的变化 1000 31 800 600 500 量 400 300 10 152 25 30 36 距顶瑞的距离，mm 图525MTBR钢870C渗碳（第31炉），渗碳层的端淬硬度曲线 曲线上标出的数字由1-10相应为0.06、0,04、0.20、0.26、0.32、 0.385、0.445、0.50、0.56和0.63 的淬透性曲线示于图5中，由硬度曲线上的拐点确定出半马氏体距离（丁60）。结果给出在 图6(b)中。图6()和(b)中给出了剥层化学分析结果。由图可见，随着碳的逃入， 在整个诊层范围内B发生了明显的再分布。最表层有B富集，次表层中B出现贫化，在距表 面约0.1一0.35mm范围内，B含量≤5ppm。此外，表层有脱Mn和脱Si现象，并有少量N 的渗入。B在渗层中的再分布在径迹显微照相（图6(c)上显示得更为清晰。在表层约0.08mm 范围内有不少硼相颗粒出现，紧接着出现明显的贫B区，以后逐渐恢复到心部的含B量和 B的显徽分布状态，在次表层内主要表现为固溶蹦的减少，并没有明显的硼相析出。与此 相应，渗层淬透性的变化由心部向表面逐步增加，离表层约0.4mm（相应的含碳量约为 0.45%)时达到最大值，以后则显著下降。 106

渗碳 渗碳共渗 吞 一 吸 日介︸‘自，”八‘ ‘ ，，“ 八。七肠 ﹃ ︸ 舀日 曲 。 」 言巨 旧月‘ ，曰‘ 口 ‘ ‘ 一 臼 ‘ ‘ 目 ， 一 “ 图 钢和 钢渗碳和碳氮共渗层 中淬透性随含 量 渗碳 和 量 碳氮共渗 的变化 、 、梦 护冷工日 仑 侧邵麟出 · 距 顶 瑞的 距 离 ， 图 钢 渗碳 第 炉 ， 渗碳层 的端淬硬度曲线 曲线上标出的数字由 一 相应为。 、 、 。 、 。 、 。 、 。 、 。 、 。 、 和 。 的淬透性曲线示于 图 中 ， 由硬度 曲线上的拐点确定 出半马 氏体距离 。 。 。 结果给出在 图 中 。 图 和 中给出 了剥层化学分析结果 。 由图可见 ， 随着碳的渗 入 ， 在整个渗层范围内 发生 了明显 的再分布 。 最表层有 富集 ， 次表层 中 出现贫化 ， 在距表 面约。 一。 范围 内 ， 含量 《 。 此外 ， 表 层有脱 和脱 现 象 ， 并有少蚤 的渗入 。 在渗层 中的再分布在径迹显微照相 图 上显示 得更为 清晰 。 在表层约 范围内有不少翻相顺粒出现 ， 紧接着出现 明显 的贫 区 ， 以后逐渐恢复到心部的 含 量 和 的显微分布状态 ， 在次表层 内主要表现为 固溶硼 的减少 ， 并没有明显 的翻相 析 出 。 与此 相应 ， 渗层淬透 性的变化 由心部向表面逐步增加 ， 离表层约 相应 的 含 碳 量约为 时达到最大值 ， 以后则显著下降 。 肠