一种表征渗碳钢渗层碳浓度的方法与流程

本发明属于渗碳钢技术领域，特别涉及一种用于表征渗碳钢渗层碳浓度的方法。

背景技术：

渗碳是一种金属表面改性技术，广泛应用于齿轮和轴承领域。通过渗碳可以有效地提高金属表层一定范围内的碳含量，经一定的后续热处理工艺，可以极大地改善金属表面的硬度和耐磨性能，同时保持心部优异的韧性，使其更适于轴承和齿轮的服役环境。

渗层的表面碳浓度，碳浓度梯度以及渗层深度是评定渗碳工件是否合格的重要指标，对渗碳工件的机械性能和微观组织有着重要影响。jb/t8881-2011《滚动轴承零件渗碳热处理技术条件》规定，经渗碳热处理后的成品零件淬硬层深度＜2.5mm时，零件表面的含碳量应为0.80％～1.05％；当淬硬层深度≥2.5mm时，零件表面含碳量不应低于0.80％。

目前，业内常用的表征渗碳钢渗层性质的方法有三种，化学法、有效硬化层深度法以及金相法。化学法，即剥层法，是目前测量渗碳钢渗层碳浓度的精确手段之一，但过程繁琐，耗费周期长，不利于试验研究与工业生产。有效硬化层深度法常作为判定工件是否合格的标准，根据国标gb/t9450-2005中规定，硬化层深度是从零件表面到维氏硬度为550hv1处的垂直距离，该种方法无法显示出一定层深的碳浓度，此外，对于有效层深以下的渗层，碳浓度的变化并不能被准确表征。专利(zl200610116085.5)提出的金相法，即根据金相图谱对比试样的金相组织判定渗碳钢渗层碳浓度，由于渗层组织经常出现边界模糊不清，以及各种组织交错分布的现象，使金相法的渗层碳浓度的表征具有极大的不准确性。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足之处，本发明通过高温金相技术的实时观察结合商业软件jmat-pro的热力学计算提出了一种新的表征渗碳钢渗层碳浓度的高效且准确的方法。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种表征渗碳钢渗层碳浓度的方法，所述方法为：基于渗碳钢不同渗层深度的碳浓度与马氏体相变起始转变温度的对应关系，结合高温金相观察技术，将渗碳钢加热至淬火温度，随后快速冷却并实时观察不同渗层深度的马氏体转变现象，记录马氏体相变的起始转变温度及对应的渗层深度，结合所述不同渗层深度的碳浓度与马氏体相变起始转变温度的对应关系，得到不同渗层深度碳浓度梯度曲线。

上述所述的技术方案中，具体的，所述对应关系是通过商业软件jmat-pro计算出渗碳钢马氏体相变温度的具体数据后利用origin软件拟合得出。

上述所述的技术方案中，具体的，将渗碳钢加热至淬火温度后在高温阶段停留15-25s，随后快速冷却。

上述所述的技术方案中，具体的，采用高温金相设备实时观察马氏体转变时，在渗碳钢心部碳浓度对应的温度附近降低渗碳钢冷却速率。

上述所述的技术方案中，所述方法具体为：

(1)根据渗碳钢的具体成分和奥氏体晶粒长大行为研究分析，设置渗碳钢的淬火温度；

(2)建立碳浓度与马氏体相变温度的对应关系：通过jmat-pro软件计算渗碳钢马氏体相变温度的具体数据后，利用origin软件拟合得出马氏体相变起始转变温度ms和马氏体相变终止转变温度mf随合金中碳浓度的变化关系曲线；

(3)采用高温金相观察技术，将渗碳钢加热至淬火温度后停留15～25s，随后以8～12℃/s冷速快速冷却，实时观察冷却过程中不同渗层深度的马氏体转变，记录不同渗层深度对应的马氏体相变起始转变温度；其中，在渗碳钢心部碳浓度对应的温度附近降低渗碳钢冷却速率至1～5℃/s；

(4)将上述不同渗层深度对应的马氏体相变起始转变温度ms与origin软件拟合的马氏体相变起始转变温度ms随合金中碳浓度变化关系曲线相对应，从而得出不同渗层深度碳浓度梯度曲线。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明方法可直接测得不同渗层深度的碳浓度，由于马氏体转变是无扩散型相变，对温度的变化极其敏感，因此本发明方法更高效、测量精度更高，解决了现有渗碳钢渗层碳浓度检测方法过程繁琐以及准确度不高的问题。

附图说明

图1为实施例1渗碳钢12cr2ni4a通过jmat-pro软件计算以及origin软件拟合得出的马氏体相变温度随碳浓度的变化关系曲线；

图2为实施例1渗碳后的12cr2ni4a通过高温金相设备实时观察马氏体转变的热处理工艺；

图3为实施例1渗碳后的12cr2ni4a通过高温金相设备实时观察不同温度条件下渗层的马氏体转变情况图片；

图4为对比实验和实施例1处理后的测定结果对比。

具体实施方式

以下结合实施例与附图详细叙述本发明实施方式，进而验证本发明的有益效果。

实施例1

本实施例一种表征渗碳钢渗层碳浓度的方法，以渗碳钢12cr2ni4a为例，具体按以下步骤进行：

(1)根据渗碳钢12cr2ni4a在传统的可控气氛渗碳工艺中常用的渗碳温度,设置其淬火温度为930℃。其中，试验用渗碳钢12cr2ni4a的具体化学成分以质量百分比计为，c0.116％；si0.237％；mn0.413％；cr1.59％；ni3.84％；p0.0069％；s0.0043％；余量为fe及不可避免的杂质。通过jmat-pro软件的热力学计算，得出当以10℃/s冷速冷却时，马氏体相变的起始转变温度ms和马氏体相变的终止转变温度mf随合金中碳的质量分数变化的具体数据后，利用origin软件拟合得出马氏体相变起始转变温度ms和马氏体相变终止转变温度mf随合金中碳浓度的变化关系曲线，如图1所示，建立了碳浓度从0.1％升高到1.0％过程中与马氏体相变温度的对应关系，其中心部的碳浓度为0.116％，对应的马氏体起始转变温度为366℃。

(2)基于上述计算结果，采用高温金相观察技术，使用型号为vl2000dx-svf17sp&15ftc的高温共聚焦显微镜，将渗碳后的12cr2ni4a进行图2所示热处理工艺进行热处理，将室温试样在200℃以下以1～3℃/s升温，在200℃以上以5～10℃/s升温至930℃，在930℃停留20s左右，随后以10℃/s左右冷速快速冷却。实时观察不同渗层深度的马氏体转变现象，记录不同渗层深度对应的马氏体相变起始转变温度，参照图1中拟合的马氏体相变起始温度与碳浓度的对应关系，得出不同渗层深度对应的碳浓度，如图3所示。

(3)当渗碳钢冷却至心部碳浓度0.116％对应的马氏体相变起始温度366℃附近降低冷却速率至1～5℃/s，以精确获得渗碳钢渗层深度位置1.20mm。

(4)将上述不同渗层深度对应的马氏体相变起始转变温度与origin软件拟合的马氏体相变起始转变温度ms随合金中碳浓度变化关系曲线相对应，从而得出不同渗层深度碳浓度梯度曲线，如图4所示,从而得出渗碳钢12cr2ni4a渗层的碳浓度。

对比实验

将渗碳后的12cr2ni4a进行显微维氏硬度测试。从试样渗层表面向心部方向，每隔相同距离0.1mm测定一次组织的显微维氏硬度，每个相同渗层深度位置测定三次，取平均值，得到渗层的硬度梯度曲线，如图4所示。

从图4可以看出，本发明实施例1的渗层碳浓度梯度曲线与对比实验中的微观硬度梯度曲线均可表征渗层的碳浓度梯度大小。其中，微观硬度法操作简单，但不能直接反映碳浓度；本发明的马氏体转变实时观察法可直接得到不同渗层深度的碳浓度，同时由于马氏体转变是无扩散型相变，对温度的变化极其敏感，因此测量精度高。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，本发明还可以有其他实施方式，对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应仍属于本发明技术方案保护的范围内。