閆永明，劉雅政，周樂育，徐 盛，王國存

(1.北京科技大學材料學院，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，在服役過程中承受復雜的循環(huán)應力，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，在一定的載荷條件下，零件的最大應力往往也產生于零件的表面，因此，增加零件表面的強度和耐磨性對增加其疲勞壽命有關鍵的作用.滲碳熱處理被廣泛的應用于多種機械零件以提高其疲勞和耐磨性能，經(jīng)滲碳處理后的釬具，除可強化表層外，表層存在的殘余壓應力對疲勞裂紋的擴展也起到阻礙作用［4-8］.因此，研究23CrNi3Mo鋼的滲碳規(guī)律，對于提高使用壽命至關重要.

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械性能，也可以調高其熱處理性能.合金元素的加入對于23CrNi3Mo鋼在滲碳過程中碳原子在奧氏體中的溶解度和擴散速度均產生重要影響［9-12］.

彭宏偉［13］研究表明，23CrNi3Mo釬尾在井式氣體滲碳爐內滲碳時，滲碳劑使用煤油，劑量為每分鐘100滴，滲碳溫度為930℃，強滲時間2.5 h，擴散時間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間下的滲碳規(guī)律，分析了滲碳過程中碳原子在23CrNi3Mo鋼中的擴散規(guī)律及不同碳含量下組織變化規(guī)律.

1 試驗

試驗用23CrNi3Mo鋼取自某廠生產的Φ110 mm棒材，化學成分如表1所示.

表1 試驗用鋼的化學成分(質量分數(shù)/%)

將實驗鋼加工成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.試驗中選擇 890、910、930、950、970 ℃的 6個滲碳溫度滲碳6 h，研究滲碳溫度對23CrNi3Mo鋼滲碳規(guī)律的影響;同時以930℃作為滲碳溫度，選擇4、7、8、10 h的4個滲碳時間，研究滲碳時間對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，達到形成一定碳勢氣氛的目的.然后采用不同的滲碳溫度和滲碳時間進行滲碳實驗，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.試驗完成后將試樣沿橫截面切開，經(jīng)磨制、機械拋光后用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圓柱形試樣表面以下以遞增的深度進行車削取樣，并利用化學燃燒法測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軟件對殘余奧氏體含量進行了統(tǒng)計分析.

2 結果與分析

2.1 碳濃度分布

將滲碳后Φ15 mm×60 mm的圓柱形試驗逐層剝削，利用化學法檢測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，相同位置的碳濃度逐漸增加.在890～970℃滲碳時，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，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，最外層碳濃度分別為1.49%和1.54%;滲碳溫度在890℃時，最外層碳濃度最低，為1.12%.

固態(tài)滲碳過程中，表面碳含量取決于試樣周圍的碳勢.表面碳含量在910～930℃時達到最大值，當溫度升高到950～970℃時表面碳含量下降，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，即滲入試樣內部的碳量增加，導致試樣周圍的碳勢降低，表面碳含量下降.23CrNi3Mo鋼在滲碳過程中，滲碳溫度選擇910～930℃就可以使試樣表面的碳含量達到最大，增加外表面和心部的碳濃度差，利于滲碳過程中碳原子由表面向心部的擴散.

圖1 滲碳溫度對碳濃度的影響

圖2為滲碳溫度930℃時不同滲碳時間下試樣表面到心部的碳濃度分布.由圖2可以看到，隨著滲碳時間的延長，碳濃度分布曲線由表面向心部移動，滲碳層深度增加.同時結合不同滲碳時間下相同碳濃度距表面的距離，23CrNi3Mo鋼在930℃滲碳時，滲碳時間達到4 h以上后，碳濃度曲線每小時向右平均移動0.15～0.20 mm.滲碳時間為4、7、8和10 h時，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%，滲碳時間的延長對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%，相對較高，這是因為滲碳6 h的試樣取自滲碳溫度影響，在固態(tài)滲透劑的配制過程中存在差異，導致固態(tài)滲碳過程中碳勢不同，從而使得表面碳濃度出現(xiàn)差異.

圖2 滲碳時間對碳濃度的影響

2.2 顯微組織與顯微硬度

將試樣沿橫截面切開，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程中，試樣在高溫時與空氣短時間接觸，導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.奧氏體中的碳濃度增加會使馬氏體轉變Ms點下降，奧氏體向馬氏體轉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變的情況，這主要是因為隨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］.

針對滲碳溫度930℃滲碳6 h時的試樣，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)的變化也會對顯微硬度產生影響.

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)，測定了不同滲碳工藝試樣由外表面到心部的顯微硬度見圖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)對應的顯微硬度壓痕，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、吸收和擴散5個過程.在固溶體中溶質原子的遷移方向是任意的，但當固溶體內存在濃度差時，將有較多的溶質原子由濃度高的一邊向濃度低的一邊擴散，并力求趨向均勻.

滲碳過程中，滲碳層內各區(qū)域碳濃度隨時間變化，且滲碳過程中碳的擴散速度與試樣表面的碳濃度有關，綜合考慮不同因素對滲碳過程中碳原子擴散速度的影響，可用菲克第二定律來表達，見式(1)［15］

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

滲碳過程中，滲碳層深度是制定滲碳工藝的關鍵，而對于不同的鋼中滲碳層深度的檢測方法沒有統(tǒng)一的標準.目前，國內外常用的滲碳層測定方法有3種:化學法、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定標準.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間的函數(shù)，不同滲碳溫度和不同滲碳時間下的滲碳試樣均密封裝于同一個滲碳罐中.因此，可假設表面碳濃度為常數(shù)且擴散系數(shù)D與濃度無關，此時滲碳層深度與滲碳溫度呈下列指數(shù)關系［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.

對式(2)兩邊取對數(shù)，可轉換為

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進行線性回歸，得出b=-6 374.114和A=e7.219=1 365.123.

因此，在滲碳時間為6 h時滲碳層深度與滲碳溫度的關系為

式中:x為滲碳層深度/mm;T為滲碳溫度/℃.

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

式中:x為滲碳層深度/mm;t為滲碳時間/h;K為常數(shù).

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

3.2 碳含量與殘余奧氏體關系

滲碳處理作為一種應用廣泛的化學熱處理，通過增加低碳鋼或低碳合金鋼的表面碳含量，來改善鋼制工件的耐磨性和耐久性，使得表面具有硬而耐磨，心部又有強而韌的性能，從而可以承受復雜的應力條件.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程中外表面到心部的顯微組織會產生差異，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 線性回歸關系圖

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

根據(jù)碳當量法［15］，計算了23CrNi3Mo鋼滲碳后，碳濃度≥0.9%時，Ms點在57.21℃以下.滲碳過程中，碳濃度直接影響后續(xù)熱處理過程中釬具的組織轉變過程.滲碳后碳濃度過高，奧氏體中的碳濃度增加使Ms點下降，奧氏體穩(wěn)定性增加，在后續(xù)淬火過程中，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.對應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顯微硬度峰值位置對應的碳濃度，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系，得出了23CrNi3Mo鋼在滲碳過程中，表面碳濃度過高，在淬火過程中出現(xiàn)殘余奧氏體降低表面硬度;表面碳濃度偏低，無法滿足釬具的性能要求.因此，23CrNi3Mo鋼在滲碳過程中表面碳濃度的合理控制目標為0.80%～0.90%.

表3 不同滲碳工藝下顯微硬度峰值對應的碳濃度

4 結論

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

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

3)23CrNi3Mo鋼滲碳時間6 h時滲碳層深度與溫度的關系為

滲碳溫度為930℃時，滲碳層深度與時間的關系式為

4)23CrNi3Mo鋼在滲碳過程中，表面碳濃度的合理控制目標應在0.80% ～0.90%，碳濃度≥0.90%時，在淬火過程中易出現(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］.貴州大學學報，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，劉志學.高強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，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.鋼的化學熱處理［M］.遼寧:遼寧科學技術出版社，2009.TANG Dian-fu.Chemical heat treatment of steel［M］.Liaoning Science and Technology Publishing House，2009.

［5］杜國君，王劍.滲碳淬火件殘余應力場的有限元模擬［J］.材料科學與工藝，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.回火方式對調質高強度鋼組織和性能的影響［J］.材料科學與工藝，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熱處理工藝的實驗研究［J］.湖北工業(yè)大學學報，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年全國釬鋼釬具會議.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，嚴澤生，等.30CrNi3MoV低合金超高強鋼中的馬氏體相變［J］.材料科學與工藝，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點的碳當量計算法［J］.遼寧工程技術大學學報，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.