淬火钢马氏体碳浓度测定方法

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1992.04.025 第14卷第4期 北京科技大学学报 Vol,14 No.4 1992年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ju1y1992 淬火钢马氏体碳浓度测定方法 司佳柱·刘慕怡·曾纪成 摘要：用X一射线衍射仪法测定高碳合金钢两相区淬火后的马氏体碳浓度。通过讨论 分析，建立了马氏体碳浓度与马氏体{112》品面族行射峰双线分离距离之间的关系式。为了 简化计算过程，编制了计算程序，使这种方法具有了较强的实用性。用这种方法在86Cī3 钢的研究中，较好的测定了诈火温度、保温时间对马氏体碳浓度的影响，并给出了二者的关 系曲线。 关键词：马氏体碳浓度，X一射线衍射仪，衍射峰 Measurement Method of Corbon Content in Hardend Martensite Si Jiazhu'Liu Moyi'Zeng Jichen' ABSTRACT:This paper studies the measurement method of martensite carbon content of high carbon alloy steel which is quenched in two phase fields,Throu- gh theory analysis a mathmatical relation between martensitic (112}crystal plane diffraction peak is established.In order to simplify the calculation process and make the method more useful in practice,a calculation program is desi- gned.Through measuring some steels whose carbon contents of martinsite are known,the reliability of the method is proved.In the stady of 86Cr3 steel, the curves of relation between quench temperature and holding time with the carbon contents of marfensite are gained by useing this method. KEY WORDS:carbon content of martensite,X-ray diffraction,diffraction peak 1661一10一04收稿 "树料科学与工程系(Departement of Materials Science and Engineering) 447

第 卷第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 ‘ ‘ 丁 。 ， 一 一福止 二二二二二二 二二二 二二二二二 二二二 二二二二 二二二二 二二二二 淬火钢马 氏体碳浓度测定方法 司佳柱 刘慕恰 ’ 曾纪 成 ’ 摘 要 用 一射线衍射仪法 测定高碳合金钢两相区淬火后 的马 氏体碳浓 度 。 通过 讨 论 分析 ， 建立 了马 氏体碳浓度与马 氏体 晶面 族衍射峰双线 分离距 离之间的关 系式 。 为 了 简化计算过 程 ， 编 制 了计算程序 ， 使这种 方法具有 了较 强的实 用性 。 用 这 种方 法在 钢的研 究中 ， 较 好 的 测定 了淬火 温 度 、 保温时间对马 氏体碳 浓度的影响 ， 并给 出 了二 者的关 系曲线 。 关键词 马 氏体碳 浓度 ， 一射线衍射仪 ， 衍射峰 日护， 口 之 “ ’ 了 ” 夕 犷 口户 己 。 ， 。 ， ， 。 ， 一 ， 女 一 一 收稿 材料科学与工程系 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1992．04．025

长期来，对高碳合金钢两相区淬火后马氏体碳浓度的测定一直是个难题。有些研究者用 化学方法及理论推算，对某些钢进行过探讨。采用这种方法对冷轧辊钢进行分析计算，也有 、 很大误差。 本文采用X-射线衍射仪法，利用马氏体{112}晶面族衍射峰双线分离与其含碳量的关系， 通过计算求得马氏体中碳浓度。由于这种方法是直接从马氏体中得到的，并且X-射线衍射具 有很高的精确性，因此只要将试验测定条件控制好，就会求得很好的试验结果。试验证明， 该方法是比较可靠的，并在研究冷轧辊钢加热温度、保温时间对淬火马氏休碳浓度的影响中 取得了很好的结果。 1试验原理 马氏体为正方结构，其点阵常数a、b、c与其所固溶的碳浓度C%之间有如下关系r1): a(nm)=6(nm)=0.2861-0.015C% (1) c(nm)=0.2861+0.0018C% (2) 因此，随其所固溶的碳量的增加，使品格常数值减小，c值增加，从而使马氏体(112) 和(211)+(121)晶面的X-射线衍射峰发生双 线分离，图1为双线分离示意图。 曲线1：(112)晶面衍射线形； 曲线2：（(121)+(211)品面衍射线形； 曲线3：(112)+(211)+(121)晶面衍射线 形。 在Cu靶Ka1衍射条件下，把(1)、(2)两式 分别代入布拉格衍射方程，经推导、换算、回归 得到马氏体碳浓度(C%)与双线重心距离△20 =3d的关系为： C%=0.447·△28 (3) 图1马氏体(211)品面族衍射峰双线分离示意图 线形1、2、3的重心分别为B、A、0,因 Fig.1 Tow peaks apart drawing of marten- site {211}diffraction peak 为线形2的重复因子是线型1的2倍，所以双 线重心B、A与重心O的距离比例也是2：1，即OB=2OA=26。 设：衍射线1的钟罩函数y=A·f(x) 则：衍射线2的钟罩函数y=2Af(x-36) 射线3的钟罩函数y=Af(x)+2Af(x-36) 其中y为衍射角x对应的衍射强度。 设衍射线3的面积为S,重心0右边的面积与左边的面积之差为△S,当取f(x)=e-x”2 时，可推出： △S1S=11.5V元c2”f(2)d(2)-∫”f(2)d(z)=F(K6)… (4) 448

长期来 ， 对高碳合金 钢两相区淬火后马氏体碳浓度 的测定一直是个难题 。 有些研究者用 化学方法及理论推算 ， 对某些 钢进行过探 讨 。 采 用这种方法对冷轧辊钢进行分析计算 ， 也有 、 很大误差 。 本文采 用 一 射 线衍射仪 法 ， 利用马 氏体丈 晶面族衍射 峰双线分离与其含碳量的关系 ， 通过 计算求得马氏体 中碳浓度 。 由于这种方法是直接从马 氏体 中得到 的 ， 并且 一 射 线衍射具 有很高的精确性 ， 因此只要将试验测定条 件控制好 ， 就会求得很好 的试验结果 。 试验证 明 ， 该方法是 比较可靠的 ， 并在研究冷轧辊钢加 热温度 、 保 温时 间对淬火马氏体碳 浓度 的影响 中 取得了很好 的结果 。 试验原理 马氏体为正方结构 ， 其点阵常数“ 、 、 与其所 固溶 的碳浓 度 之 间有如下关系 〔 ‘ 〕 。 一 。 。 。 因此 ， 随 其所 固溶 的碳量的增加 ， 使 晶格常数 “ 值 减小 ， 值增 加 ， 从而使马 氏体 和 十 晶面的 一 射线衍射 峰发 生双 厂一一 一 一 ， 线分离 ， 图 为双线分 离示意图 。 曲线 晶面衍射 线形 曲线 晶面衍射线形 曲线 晶面衍射线 形 。 在 靶 衍射条件下 ，把 、 两式 分别代入布拉格衍射 方程 ， 经推导 、 换算 、 回归 得到 马氏体碳浓度 与双线重心 距离 △ 二 的关 系为 。 次 △ 线形 、 、 的重心 分别为 、 、 ， 因 为线形 的重复因子是线型 的 倍 ， 所以双 图 马 氏体 晶 面 族衍射峰双 线分 离示意图 线重心 、 与重心 的距离比例也是 ， 即 二 二 咨 。 设 衍射线 的钟罩 函数 ‘ 则 衍射线 的钟罩函数 一 句 衍射线 的钟罩 函数夕 约 十 ‘ 一 句 其 中 为衍射 角“ 对应的衍射 强度 。 设衍射 线 的面积 为 ， 重心 右边 的面积与左边的面 积 之 差为△ ， 时 ， 可推 出 △ ， 二 ， · 亿 下〔 “ ， · “ · ，一 丁 ‘ “ ，‘ · ‘ · 〕 二 ‘ 卜二 当取 二 一 忍二

同时可以求得：S=3A√x/K (5) 将(4)式用台劳级数展开，解微分方程，求得△S/S与(K6)的关系式为： △S/S=1/1.5√元〔2(K6)3-3(K6)5+3(K6)7) (6) 从而可用数值方法计算求得(K6)。 通过线形3重心O点的衍射强度y。: y。=2Af(6)+Af(26) 求得：A=y/(2ex2.2+c-4x2a2) 由公式(5)得： K=3AVπ/S 故可得：6=Kδ/K,代入公式(3)，即可求得淬火钢中马氏体碳浓度。 2计算程序 从以上的原理简述中可以看出，整个推导过程是十分烦琐的，如对所有的试样都进 行演算，将是一个非常繁重的工作，因而会使 Run 该方法的使用受到很大限制。为此将以上过程 Read each diffraction count CPS 编成计算程序，以简化计算过程，加强其实用 性。程序方框图如左图： Deduct the background 表1马氏体碳浓度结果对比 Calculate area S Table 1 Results contrast of carbon content in matensite Calculate the centre of gravity o 锅种 马氏体碳浓度/% 钢中实际含碳盘/% Calculate AS/S 35Mn 0,30 0.34 Use newton method to calculate the ko 45 0.12 0,42-0.50 Calculate 6 55 0,50 0.52-0.60 Calculate the carbon content C% PRENT S.6.△S/S.6.C% End 了实验证明 为了验证以上推导计算过程的正确性，对这种方法进行了实验证明。将35M试样加热到 900℃，将45钢试样和55钢试样加热到880℃、保温30min、水淬，试样尺寸：12mm×12mm。 谇火后将试样表面氧化脱碳层磨掉，经硬度检验3种钢的硬度为HRC55~65,证明3种钢均 已淬成马氏体组织。然后将试样制成金相样品，经深腐蚀后，做X-射线衍射，采用步进式扫 449

同时可以求 得 二 杯万 将 式用 台劳级数 展开 ， 解微分方程 ， 求得△ 与 句 的 关系 式为 △ 训 万 一 〔 兀占 “ 一 无占 ” 尤 〕 从而 可用数值方法 计算求得 句 。 通过线形 重心 点的衍射 强度 。 夕 。 二 占 石 求得 ， 。 一 ‘ ’ ‘ ’ 。 一 ‘ “ ’ · ’ 由公式 得 二 亿 了 故可得 占二 司 ， 代入公式 ， 即 可求得淬火钢 中马 氏体碳浓 度 。 计算程序 从以上的原理 简述 中可以 看，八 ， 整个推导过程 是十分烦琐的 ， 如 对所有的试样都进 行演算 ， 将是一个非常繁重 的工 作 ， 因而会使 该方法的使用受到很 大限 制 。 为此将以上过程 编成计算程序 ， 以简化计算过程 ， 加 强其实用 性 。 程序方框图如左 图 表 马 氏休碳浓度结 果对 比 宜于户 钢种 马 氏体碳 浓度 钢 中实际含碳 量 邪 。 。 。 。 。 实验证明 为 了验证以上推导计算过程 的正确性 ， 对这种方法进行 了实验 证明 。 将 试样加 热到 ， ， 将 钢试样和 钢试样加 热到 ℃ 、 保温 、 水淬 ，试样尺寸 。 淬火后将试 样表面氧化脱碳层磨掉 ， 经硬度检验 种钢的硬度为 ， 证明 种钢均 已淬成马氏体组织 。 然后将试样制成金相样 品 ， 经深腐蚀后 ， 做 一 射线衍射 ，采 用步进式扫

描方式，步进角0,1°，计数时间20s,将每步的计数结果输入计算机，经计算求得马氏体碳 浓度，结果见表1。 注意：35Mn实际成分为化验结果；45、55钢实际成分为国标GB699-65规定范围。 从表1的结果对比可见，这种方法是比较准确的。由于本法是利用马氏体{211}晶面族的 衍射峰计算，不涉及其它相，即使钢中同时存在有两相或多相，也不会对结果构成影响。 因此利用这一点对高碳钢，尤其是高碳合金钢两相淬火后，进行马氏体碳浓度的测定，是一 种比较合适的方法。 4实际应用 在研制超深淬硬层冷轧工作辊用钢工作中，设计了两种成分的86C3试验钢，其中A号 钢中Cr量和N1量分别比B号钢中多0.4%和0.3%。对这两种成分的钢进行马氏体碳浓度与淬 火温度关系的研究中，采用了X-射线衍射仪分析法，测定结果见图2。图3为用该法测定加热 保温时间对马氏体碳浓度C%的影响结果。 从试验结果图2可以看出，随谇火温度升高，马氏体中碳浓度增加，且B号钢中马氏体 的碳浓度比A号钢高；同时可见在940℃以上加热时B号钢的碳浓度的增加远大于A号钢。从 该结果的分析看到，两种钢虽然成分差别很小，铬量差仅为0.4%，但其中碳化物的类型和 配比却有可能不同。因此进一步进行了碳化物定性分析，结果表明，在870℃加热时，两种钢中 有3种类型碳化物：M3C、M,C3、Ma3Ce;在940℃加热时，低铬量的B号钢中仍有这3种类型的 碳化物，而高铬量的A号钢中只有两种类型的碳化物：M,C3和M2C。。由此认为，由于低铬 量的B号钢中形成的难溶碳化物较高铬量的A号钢中少，在相同温度下淬火时，B号钢中由于奥 氏体中固溶的碳量比A号钢的高，故谘火后马氏体的碳浓度也高。940℃以上加热时，B号钢中 M,C型碳化物大量溶解，奥氏休中碳浓度增加迅速，从而表现出和A号钢有所不同的行为。 0.7 ny min .55 0.6 U.50 0.5 0.45 0.40 Austenitization te mperature900℃ 860880900920940960 101520 25 Austenitization temperature/C /min 图2奥氏体化湿度与马氏体碳浓度的关系 图3保温时间对马氏体碳浓度的影啊 Fig.2 The connection of Austennitization Fig.3 The connection of holding time temperature and carbon content of and carbon content of martensite martensite 虽然A号、B号钢铬量的差别较小，却造成了两种钢中形成碳化物的情况不同。低铬量 的钢中溶入的碳和铬量较多，高铬量的钢中溶入的碳和铬量较少，从而造成两种钢在淬透性 和淬硬性上的差别，即低铬量的钢淬透性和淬硬性反而比高铬量的高。从这些分析中可确定 450

描方式 ， 步进角。 。 ， 计数 时间 。 将 每 步的计 数结果 输 人计算机 ， 经 计 算 求得马 氏体碳 浓 度 ， 结果 见表 。 注意 实际成分为化验结果 、 钢实际成分为国标 一 规定范 围 。 从表 的结果对比可见 ， 这种方法是 比较准确 的 。 由于本法是利用马 氏体 弋 晶面族 的 衍射 峰计算 ， 不涉及 其它相 ， 即使钢 中同时存在有两相或多相 ， 也不 会 对 结 果构成影响 。 因此利 用 这一点对 高碳钢 ， 尤 其是高碳 合金 钢两相淬火后 ， 进行马 氏体碳浓度 的测定 ， 是 一 种比较合适的方法 。 实际应用 在研 制超深淬硬层冷轧工作辊 用钢工作 中 ， 设 计 了两种 成 分的 试验钢 ， 其 中 号 钢 中 量和 量分别比 号钢 中多 和 。 。 对这两种成分 的钢进行马 氏体碳浓 度与淬 火温度关系 的研究 中 ， 采 用 了 一 射 线衍射仪分析法 ， 测定结果见图 。 图 为 用该法测定加热 保温时 间对马 氏体碳浓 度 的影响结果 。 从试 验 结果图 可 以 看 出 ， 随淬火温度 升高 ， 马 氏体 中碳浓 度增加 ， 且 号 钢 中 马 氏体 的碳浓 度 比 号 钢高 同时可见在 ℃ 以 上加热时 号钢的碳浓 度 的增加 远 大于 号钢 。 从 该结果 的分析 看到 ， 两种钢 虽然 成分差别很小 ， 铬量 差仅为。 ， 但 其中碳 化物 的类型和 配 比却 有可能不 同 。 因此进一步进行 了碳化物定性分析 ， 结果表明 ， 在 ℃ 加 热 时 ， 两种钢 中 有 种类型 碳化物 、 、 。 在 ℃ 加 热时 ， 低铬量的 号钢 中仍有这 种类型的 碳 化物 ， 而 高铬量 的 号钢 中只 有 两种类 型的碳化物 和 。 。 由此认为 ， 由于低铬 量的 号钢 中形成的难溶碳化物 较高铬量 的 号钢 中少 ， 在相 同温度下淬火时 ， 号钢 中由于奥 氏体 中固溶 的碳量 比 号 钢的 高 ， 故淬火后 马 氏体的碳浓 度 也高 。 ℃ 以上加 热时 ， 号钢 中 ， 型 碳 化物 大量溶解 ， 奥 氏体 中碳浓 度增加迅速 ， 从而 表现 出和 号钢 有所不 同的行为 。 留决 称习声 于 厂 交 曰欲 日 八一址份 又。 之 夺 七 日 “ 与一 品 口口口， 己 ’ 一 双 习 匕 多 二 亡 泊 图 奥 氏体化温 度 与马 氏 体碳 浓度的关系 图 保温 时间对马氏体碳浓 度的 影 响 虽 然 号 、 号钢 铬量 的差别 较 小 ， 却造 成了两种钢 中形成碳化 物 的情况 不 同 。 低铬量 的钢 中溶 入的碳和 铬量较多 ， 高铬量的钢 中溶 入的碳和铬量较少 ， 从而造 成两种钢 在淬透性 和淬硬性 上 的差别 ， 即低铬量的钢淬透性和 淬硬性反而 比高铬量 的高 。 从 这些 分析 中可确定

该钢种治金成分中铬量的上限。 从图3所表明的试验结果可以看出，在900℃加热时，随保温时间的延长，碳浓度增加。 开始时增加较快，当大约5mi时，碳浓度基本不再增加。说明此时钢的奥氏体也已基本接 近平衡态。保温2min与保温24min的差别并不太大，说明奥氏体化开始时进行较快。对于合金 量较多的钢来说，提高淬火温度往往比添加或改变某些合金元素对淬透性的作用要大。从该 试验的结果看出，轧辊淬火新工艺，即采用快速加热、短时保温的淬火法，可以进一步的提 高淬火温度，从而提高淬火效率，而不使奥氏休的晶粒长大。 5结论 (1)用X-射线衍射仪法测定淬火钢中马氏体碳浓度是一种比较可靠的方法，尤其是对高 碳钢和高碳合金钢具有更重要的意义。 (2)用该方法对86Cr3两种高淬透性钢加热淬火温度对马氏体中碳浓度影响的研究表 明，处于铬量上限的A号钢与处于铬量中限的B号钢随淬火加热温度升高，马氏体碳浓度的 变化速度有所不同，即B号钢马氏体碳浓度高于A号钢，且在940℃以上时增加速度大大加 快，这是由于二者间形成碳化物类型和相对量差别造成的。 (3)用该方法对奥氏体化保温时间与马氏体碳浓度的关系测定表明，保温时间对淬火马 氏体碳浓度影影不大。 参考文献 1刘永铨，钢的热处理。北京：治金工业出版社，1981：2 南钢15t转炉LD-NGF高压复吹技术的开发与应用 “LD一NGF高压复吹工艺原理试验研究”着重分析与研究了高压复吹过程，并通过其 与常压复吹试验的对比，为制定南钢复吹转炉的最佳操作工艺制度提供可靠的依据。 在复吹治炼后期，采用大气量的高压气体对溶池进行后搅，可以比常压试验相对缩短治 炼时间45s,终渣氧化铁降低4~6%，同时还能提高终点的磷、硫分配比，使得脱磷、脱硫 反应更加接近平衡。此外，石灰的消耗量仍可进一步下降，并能够达到其合理的石灰用量范 围。 451

该钢种冶 金 成分 中铬量的上限 。 从图 所表明的试验 结果 可 以看 出 ， 在 ℃ 加 热时 ， 随保温 时间的延长 ， 碳浓度增加 。 开始时增加 较快 ， 当 大约 时 ， 碳浓度基本 不再 增加 。 说明此时钢的奥 氏体也 已 基 本 接 近平衡态 。 保 温 与保温 还 的差别并 不太大 ， 说 明奥 氏体化开 始时 进 行较快 。 对于合金 量较多的钢来说 ， 提高淬火温度往往比添加 或改 变某些 合金 元素对淬透 性 的作用 要大 。 从该 试 验 的结果看 出 ， 轧辊淬火新工艺 ， 即采 用快速加 热 、 短时保温 的淬火法 ， 可以 进 一步的提 高淬火温 度 ， 从 而提 高淬火效率 ， 而 不 使奥 氏体 的晶粒长大 。 结 论 用 一 射线衍射仪 法测定 淬火钢 中马氏 体碳浓度是一种比较可靠 的方法 ，尤 其 是对高 碳钢和 高碳 合金钢 具 有更重要 的意义 。 用 该方法对 两种 高淬透性钢加 热淬火温度对 马氏体 中碳浓度影 响 的 研 究 表 明 ， 处于铬量上限 的 号 钢 与处于铬量 中限 的 号钢随淬火加热温度升 高 ， 马 氏体 碳浓度的 变化速度有所不同 ， 即 号钢 马 氏体碳浓度高于 号钢 ， 且在 ℃ 以 上 时 增 加 速度大大加 快 ， 这是 由于二 者间形 成碳化物类型和 相对量差别造 成的 。 用 该方法对奥氏体化保 温时间与马 氏体碳浓 度的 关 系测定 表明 ， 保温 时 间对淬火马 氏体碳浓度影影 不 大 。 参 考 文 献 刘永锉 钢 的热处理 北京 冶金工业 出版社 ， 南钢 转炉 一 高压复吹技术的开发与应用 “ 一 高压复吹工艺原理试验研究 ” 着重分析与研 究 了高压 复吹过程 ， 并通过 其 与常压复吹试验的对 比 ， 为制定南钢复吹转炉 的最佳操作工艺制度提供可 靠的依据 。 在复吹冶炼后期 ， 采 用大气量的高压气体对溶池 进行后搅 ， 可以 比常压试验相对缩短冶 炼时间 ， 终渣氧化铁降低 一 ， 同时还 能提高终点的磷 、 硫 分 配 比 ， 使得脱磷 、 脱硫 反应更加接近 平衡 。 此外 ， 石灰 的消耗量仍可 进一步下降 ， 并能够达 到 其合理 的石灰用量范 围 。 军