什么是渗碳淬火？表面渗碳有何用？如何无损检测渗碳层深度和硬度？

什么是渗碳淬火？表面渗碳有何用？如何无损检测渗碳层深度和硬度？

渗碳淬火是一种重要的热处理工艺，广泛应用于机械传动部件的表面强化。本文将详细介绍渗碳淬火的基本原理、应用优势以及无损检测技术在该领域的最新进展。

什么是渗碳淬火？表面渗碳有何用？

表面渗碳淬火热处理原理

钢的韧性（延展性）随着碳含量的降低而增加，因为在显微组织中发现的脆性渗碳体较少。如果组件要非常坚韧，则它们必然不可避免地要相对低碳。然而，与此同时，由于碳含量低，材料的淬透性降低，因为特别是在晶格中强制溶解的碳导致必要的马氏体形成。作为指导原则，碳含量至少应为0.3％，以进行硬化。但是，诸如齿轮之类的组件需要兼有两个相互矛盾的特性：

• 芯部中的碳含量低，从而具有高韧性（吸收动态载荷）
• 表面的高碳含量可提高表面层的可硬化性（增加耐磨性）。

对于此类应用，表面渗碳淬火硬化是合适的，通常结构如下：

• 渗碳
• 冷却（直接淬火硬化不需要）
• 硬化（淬火和回火）

在表面硬化时，首先将碳含量不超过0.2％的低碳钢（表面硬化钢）暴露在含碳环境中。早期，实际上将钢放在发光的焦炭“盒”中。碳然后扩散到表层，在其中导致碳含量富集到约0.8％的可淬火硬化水平，而芯部基材则保持低碳状态。在表层中的这种碳积累也称为渗碳。

图：渗碳钢渗碳

由于仅奥氏体组织能够吸收足够量的碳，因此渗碳过程中的温度高于900°C，渗碳时间为数小时。用这种方法可以经济地获得0.1至约5mm的渗碳深度。由于渗碳是一种扩散控制的过程，因此在较高的温度下可以减少渗碳时间，但同时会增加形成粗大晶粒的风险。

渗碳可以以不同的方式进行。在气体渗碳过程中，组件会暴露在含碳气氛中。这在批量生产中特别经济。盐浴中的渗碳也是可能的。另外，有可能在粉末状的碳颗粒中渗碳工件。

在将表面层渗碳至所需的可淬火水平之后，进行实际的硬化过程，从而将相对低碳的芯材进行轻微淬火和回火。为此所需的淬火可以完成

• 从再加热状态缓慢冷却后（单次和两次淬火硬化）或
• 直接从仍然热的渗碳状态（直接硬化）。

淬火后，始终对淬硬的部件进行回火，从而获得其期望的使用性能。更重要的是，疲劳强度的增加使表面硬化对于动态受力的部件（例如齿轮或驱动轴）而言非常有趣。

通过表面渗碳淬火硬化，低碳钢首先在表面层中富集碳（渗碳），然后淬火！此类组件的特点是具有很高的表面硬度和非常坚硬的芯部基材（因为碳含量低）！

为什么选择渗碳淬火处理？表面渗碳淬火有什么优势？

传统上，表面渗碳热处理已用于淬火硬化各种各样的机械传动部件，例如传动轴、齿轮、回转支承、齿圈和轴承座圈等。渗碳过程简单明了，数十年来已广为人知。渗碳淬火的实际优势包括：

(1) 容易控制渗碳层的深度、碳浓度以及浓度梯度(硬度梯度)。根据渗碳工艺的物理化学特性和零件的工艺条件，通过计算或一些关系曲线，可以简单地确定真空渗碳热处理的工艺参数。

(2) 渗碳件表面质量高。因为渗碳淬火处理在可控气氛或真空状态下进行加热、浸泡和渗碳后扩散，使零件不产生脱碳和黑色组织等问题，表面干净。

(3) 淬火零件具有较高的力学性能。渗碳热处理件具有表面质量高(不脱碳、不氧化)的特点，因此对表层的应力状态和疲劳强度有很好的影响。

(4) 对具有盲孔、深孔、窄缝零件渗碳效果较好。采用真空渗碳热处理工艺甚至可以对不锈钢和硅钢进行渗碳处理。

(5) 可获得薄、厚(可达7mm)、碳浓度高的渗碳层。通过改变渗碳和扩散的时间，可以获得陡峭或平缓的碳浓度梯度。

(6) 可进行高温渗碳热处理从而缩短了渗碳时间。

如何无损检测渗碳淬火质量——渗碳层深度CHD/有效硬化层深度和硬度？

渗碳淬火有效硬化深度(简称“渗碳层深度CHD-Case-Hardening-Depth”)的评价是获得准确的过程控制品质因数的重要参数。测量CHD渗碳有效硬化深度厚度的方法很多。主要是基于光学显微镜分析的微观金相观察，该显微金相确定马氏体和铁素体-珠光体之间的过渡区域。在材料横截面处研究显微硬度分布可提供更准确的渗碳层深度CHD/表面有效硬化深度。为此，首先在要检查的淬火工件处以不同角度锯切，并在进行适当的研磨准备和化学处理后，进行光学和/或硬度深度分布测量。此过程需要相当长的时间，这也意味着可以严重延迟报告过程中的严重偏差，如果过程出现异常，则可能导致大量错误硬化的零件。然而，这两种破坏式方法都是耗时且昂贵的。那么有没有新型技术可以快速且无损伤地检测渗碳淬火质量呢？

碳含量0.5％和0.7％样品有效硬度深度曲线示例 表面淬火微观组织结构的显微金相观察示例

表面淬火热处理工件重要的质量特征是有效硬化深度和硬度，即渗碳淬火后的表面硬化深度（CHD）。另外，为了确保这种工件的质量，在表面和整个表面上的硬度和残余应力值，甚至在硬度和残余应力的深度分布图中都是重要的。为了通过无损检测改善渗碳淬火热处理过程，经过适当的校准后，所有这些材料参数都可以通过德国Fraunhofer无损检测技术研究院3MA综合无损测试技术确定。如下图片显示了渗碳层深度CHD无损测量示例。对于所有表面淬火硬化机制，上海量博实业有限公司总代理的3MA技术不仅可以确定渗碳层深度CHD、有效硬化深度，而且还可以确定表面硬度、芯部硬度以及两者之间的硬度值。

两个不同渗碳层深度CHD的试样，3MA测试信号之一的对比示例(a: 0.5% C, b:0.7% C)

无损检测（NDT）不局限于缺陷检测或裂纹的应用，而且还扩展到机械和冶金性能的表征。磁性测量通常用于表征铁质材料结构的变化，因为它们的磁化过程与微观结构密切相关。这一事实使3MA微磁测量技术成为无损评价、测量和表征的明显候选者。因此，德国IZFP专家始终密切监督和充分利用这种3MA无损检测方法的潜力。