Q235钢渗碳毕业设计.doc

安徽工程大学毕业论文序言q235钢是一种普通碳素结构钢。q代表的是这种材质的屈服极限，后面的235，就是指这种材质的屈服值，在235mpa左右。并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小。由于含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，用途最广泛。但是由于q235钢本身的含碳量较低，所以在某些场合并不是很适用，所以要对其进行处理，本文就是对其进行固体渗碳处理方式的分析。渗碳是对金属表面处理的一种，采用渗碳的多为低碳钢或低合金钢，具体方法是将工件置入具有活性渗碳介质中，加热到900950摄氏度的单相奥氏体区，保温足够时间后，使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层，从而获得表层高碳，心部仍保持原有成分。相似的还有低温渗氮处理。这是金属材料常见的一种热处理工艺，它可以使渗过碳的工件表面获得很高的硬度，提高其耐磨程度。渗碳工艺在中国可以上溯到2000年以前。最早是用固体渗碳介质渗碳。液体和气体渗碳是在20世纪出现并得到广泛应用的。美国在20年代开始采用转筒炉进行气体渗碳。30年代连续式气体渗碳炉开始在工业上应用。60年代高温(9601100)气体渗碳得到发展。至70年代出现了真空渗碳和离子渗碳。在此次试验中我们采用的是固体渗碳的方式。固体渗碳即为将工件放在填充粒状渗碳剂的密封箱中进行渗碳的工艺，由于此方法成本较低，操作也较为简单，所以采用。同时，为了了解到稀土对渗碳的作用，所以我们将试样分为几组，每一组的渗碳剂中加入不同含量的稀土。渗碳结束后，通过观察组织的分布情况和测量渗碳层的深度来分析稀土在渗碳过程中所起的作用。稀土具有促渗的作用，所以我们在进行金相组织观察过程中可以发现，随着我们在渗碳剂中所加稀土含量的增加，渗碳后试样中组织虽没有改变，但是组织的分布范围却在一步步发生变化，一步步接近心部，直至渗透。同时渗碳层深度的测量也可以说明这一结论，随着稀土含量的增加，试样的心部组织的硬度不再是原始组织的硬度。通过渗碳处理，q235钢的表面硬度得到提高，则耐磨性也会有所改善，而在强度方面也会随着渗碳后组织的形成而提高。固体渗碳后，我们通过分析渗碳后钢的组织和性能变化，并根据不同含碳量对钢渗碳后组织和性能变化机理。在进行渗碳实验的过程中，不仅使学生加深对所学理论知识的理解和掌握，也可以提高学生分析和解决实际问题的能力，为今后从事相关工作奠定基础。第一章 绪论1.1 选题的背景及意义 随着现代工业的发展，机械产品的质量要求越来越高，服役条件也越来越苛刻。机械零件长期在高温、高压、高速和有腐蚀介质的条件下工作，表面经常发生磨损、腐蚀、高温氧化或疲劳失效等现象，导致整个零件报废或机器停产。据统计，80以上的报废构件是由于表面失效造成的，因此强化金属表面是防止构件破坏和早期失效的有效措施。化学热处理作为一种既古老而又充满活力的表面强化技术，已经在生产实践中得到了广泛的应用，并带来了显著的经济效益。 化学热处理的工艺类型众多，常见的渗入元素有碳、氮、硼、硅、硫等非金属元素和铬、钒、铝、钛等金属元素。在各种化学热处理中渗碳的历史最悠久，至少可以追溯到我国2000多年前的战国时期。目前渗碳技术工艺已经非常成熟完整，渗碳过程控制实现了自动化。渗碳可分为固体渗碳，气体渗碳，离子渗碳。常用的是前两种，尤其是气体渗碳应用最为广泛。 将低碳钢件放入渗碳介质中，在900至950度加热保温，使活性碳原子渗入钢件表面并获得高碳渗层的工艺方法叫做渗碳。齿轮、凸轮、活塞、轴类等许多重要的机器零件经过渗碳及随后的淬火并低温回火后，可以获得很高的表面硬度、耐磨性以及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。而心部仍保持低碳，具有良好的塑性和韧性。工件经渗碳后，表面具有高的硬度、耐磨性、抗蚀性、红硬性和抗氧化性，而心部保持良好的塑性和韧性。因此近年来渗碳工艺发展迅速。渗碳根据适应的渗剂不同分为固体渗碳、气体渗碳和液体渗碳。由于固体渗碳操作简单，无需特殊设备，工件表面清洁，目前成为最有前途的渗碳方法。该课题对q235钢进行固体渗碳处理，分析渗碳后钢的组织和性能变化，并分析不同含碳量对钢渗碳后组织和性能变化机理。不仅使学生加深对所学理论知识的理解和掌握，也可以提高学生分析和解决实际问题的能力，为今后从事相关工作奠定基础。1.2 渗碳研究现状和发展趋势 渗碳工艺是一个十分古老的工艺，在中国，最早可上溯到2000年以前。起先是用固体渗碳介质渗碳。在20世纪出现液体和气体渗碳并得到广泛应用。后来又出现了真空渗碳和离子渗碳。到现在，渗碳工艺仍然具有非常重要的实用价值，原因就在于它的合理的设计思想，即让钢材表层接受各类负荷（磨损、疲劳、机械负载及化学腐蚀）最多的地方，通过渗入碳等元素达到高的表面硬度高的耐磨性和疲劳强度及耐蚀性而不必通过昂贵的合金化或其它复杂工艺手段对整个材料进行处理。这不仅能用低廉的碳钢或合金钢来代替某些较昂贵的高合金钢，而且能够保持心部有低碳钢淬火后的强韧性使工件能承受冲击载荷。因此，完全符合节能、降耗，可持续发展的方向。1.2.1 渗碳研究的现状 近年来，出现了高浓度渗碳工艺，与传统工艺在完全奥氏体区（温度在900950，渗碳后表面碳质量分数为0.85%1.05%）进行渗碳不同，它是在ac1accm之间的不均匀奥氏体状态下进行，其渗层表面碳浓度可高达2%4%。其结果可获得细小颗粒碳化物均匀、弥散分布的渗层。其渗碳温度降至800860温度范围，可实现一般钢材渗碳后直接淬火；由于高浓度渗碳层含有很高数量（20%50%）的弥散分布的碳化物，故显示出比普通渗碳更优异的耐磨性、耐蚀性，更高的接触与弯曲疲劳强度，较高的冲击韧度、较低的脆性及较好的回火稳定性。该工艺还具有适用性广、对设备无特殊要求等优点，具有较高的经济效益和实用价值，近年来在国内外获得竞相研究与开发。为了防止渗碳过程中奥氏体晶粒的粗化，一般都在钢材中添加适量的钛，通过形成碳氮化钛粒子钉扎晶界而阻止晶粒长大。国家标准规定渗碳钢中钛添加量为0.040.08wt%。然而，最近有研究工作表明，当钛含量超过0.032%，就会在渗碳钢冶炼铸锭凝固时析出氮化钛。这种氮化钛尺寸达到微米数量级，起不到阻止奥氏体晶粒长大的作用，反而由于这种呈立方体的粒子的尖角效应以及与基体组织的不连续性而成为微裂纹的策源地和裂纹扩展的中继站，严重损害钢材的韧塑性。工作还表明，将钛含量降至0.020.032%，仍然能够同样有效地起到控制奥氏体晶粒长大的作用，而又可避免有害氮化钛粒子的形成，因此是值得推荐的合理的选择范围。1.2.2 渗碳的发展趋势跨入21世纪，人类对环境保护的要求越来越高，我国已把环保作为一项基本国策，并开始推进清洁生产，要求施行绿色热处理，生产清洁产品。施行绿色热处理，最根本的是为了人类的可持续发展。世界环境和发展委员会在我们共同的未来报告中阐明“可持续发展”为“既满足当代人的需要，又不致损害子孙后代满足其需要的能力的发展”。易于理解的是要我们做到自然资源的合理开发利用，同时做好自然资源的保护和环境的保护。对一个企业而言，要处理好发展与效益、发展与创新的关系，也要处理好发展与资源、发展与环境的关系。优秀的企业家，要处理好这些关系，也一定要善于处理好这些关系。在处理中求得生存，求得效益，求得发展。1.3 渗碳实验所需的实验设备1.3.1 渗碳实验炉渗碳炉顾名思义是用来渗碳实验所用，在这次实验中，我们所用的是箱式电阻炉作为渗碳炉。电阻炉外壳采用冷轧钢板制作，表面喷涂工艺处理，炉门采用满门式结构，启闭灵活。膛采用特种陶瓷纤维材料，重量轻，热熔小、空炉损耗小，与老式电阻炉相比节能70%以上。升温速度快，升温速度可调节。可编程满足30-50段连续控温和恒温要求，实现定时自动升温和恒温，具有pid自整定，手动自动切换无干扰和超温报警的功能。控温精度高。具有温度补偿功能和温度校正功能。显示精度1。温度均匀性好。一体化结构，采用满门设计，外形美观大方。 图1.11.3.2 金相组织观察显微镜金相显微镜是将光学显微镜技术，光电转换技术，计算子图像处理技术完美的结合在一起而开发研制而成的高科技产品。可以在计算机上很清晰的观察金相组织，从而对金相图谱进行分析，评级等，以及对图片进行输出，打印。金相学主要指借助光学（金相）显微镜和体视显微镜等对材料显微组织、低倍组织和断口组织等进行分析研究和表征的材料学科分支，既包含材料显微组织的成像及其定性、定量表征，亦包含必要的样品制备、准备和取样方法。其主要反映和表征构成材料的相和组织组成物、晶粒（亦包括可能存在的亚晶）、非金属夹杂物乃至某些晶体缺陷（例如位错）的数量、形貌、大小、分布、取向、空间排布状态等。 图1.21.3.3 抛光机抛光机是一种电动工具，抛光机由底座、抛盘、抛光织物、抛光罩及盖等基本元件组成。电动机固定在底座上，固定抛光盘用的锥套通过螺钉与电动机轴相连。抛光织物通过套圈紧固在抛光盘上，电动机通过底座上的开关接通电源起动后，便可用手对试样施加压力在转动的抛光盘上进行抛光。抛光过程中加入的抛光液可通过固定在底座上的塑料盘中的排水管流入置于抛光机旁的方盘内。抛光罩及盖可防止灰土及其他杂物在机器不使用时落在抛光织物上而影响使用效果。 图1.31.4 本课题设计的目的和主要内容1.4.1 q235钢渗碳热处理的目的 q235钢是低碳钢，是一种普通碳素结构钢。大量应用于建筑及工程结构。用以制作钢筋或建造厂房房架、高压输电铁塔、桥梁、车辆、锅炉、容器、船舶等，也大量用作对性能要求不太高的机械零件。c、d级钢还可作某些专业用钢使用。一般轧成角钢、工字钢、钢管、槽钢、钢带或钢板，用于制作各种建筑构件、容器、炉体和农机具等等。优质低碳钢轧成薄板，制作钢格板的扁钢、扭绞方钢等制品；用于制作强度要求不高的机械零件。低碳钢在使用前一般不经过热处理，碳含量在0.15以上的经渗碳或氰化处理，用于要求表层温度高、耐磨性好的轴、轴套、链轮等零件。但是由于其含碳量较低，在某些场合并不是十分的适合。低碳钢由于强度较低，使用受到限制。适当增加碳钢中碳含量，并加入微量钒、钛、铌等合金元素，可大大提高钢的强度。因此我们选择渗碳处理，以便于获得性能更好的q235钢。1.4.2 q235钢渗碳的主要内容 q235钢的渗碳热处理，是一种化学热处理方式。利用固体渗碳的方法增加了钢件的表面的含碳量，从而提高了表面的硬度，从而也增加了表面的耐磨性，二钢件的心部组织仍保持着原始组织的含碳量，具有较高的塑性与韧性。总之，提高了钢件的整体性能。 （1）对q235钢进行渗碳处理，制定其渗碳工艺参数，包括渗碳加热温度和保温时间，并阐述理由。钢在渗碳就是钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表面，获得一定的表面含碳量和一定碳浓度梯度的工艺。这是机器制造中应用最广泛的一种化学热处理工艺。渗碳的目的是使机器零件获得高的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。 （2）将经渗碳后的试样冷到室温，观察单一渗碳后的组织，测定渗碳层的深度，并金相摄影，分析其组织形成机理；测定渗碳后从钢表面到心部的硬度，绘出硬度与离工件表面距离的关系曲线，并分析硬度形成机理；重点比较和分析不同碳含量对钢渗碳后组织、渗碳层和性能影响。 （3）对渗碳后试样进行淬火和回火处理，制定其淬火工艺参数，观察淬火和回火后的组织，并金相摄影，分析其组织形成机理；测定淬火和回火后的硬度，并分析硬度形成机理。 第二章 q235钢渗碳热处理的研究方案与实验结果分析2.1 q235钢原始组织性能分析及渗碳方式的选择2.1.1 q235钢材质分析q235钢是一种普通碳素结构钢。碳素结构钢易于冶炼，价格低廉，性能基本满足一般工程结构的要求，用量约占刚才总产量的百分之七十至百分之八十。碳素结构含碳量较低，硫与磷的含量较高。通常以热轧空冷状态供应，其塑性高，焊接性好，使用状态下住址为铁素体加珠光体。碳素结构钢常以热轧板、带、棒及型钢使用，适于焊接，铆接，栓接等。在碳素结构钢中，q235钢既有较高的塑性又有适中的强度，成为应用最广泛的一种碳素结构，既可用作较重要的建筑、车辆及桥梁等的各种型材，又可用于一般的机器零件。但有时需加一些热处理来改善性能。q235钢的原始组织金相图如下图所示。正是因为q235钢的这些优点，同时也造成了它的一些缺点。相比于低合金高强度结构钢，q235作为很普通的碳素结构钢，在强度等性能上明显显的不足。而对于其它机器零件用钢，在表面强度、硬度、耐磨性等方面也存在不足。因此在某些应用场合需对该钢种进行处理，渗碳处理是一个常用的方法。 图2.1 如图所示，在铁素体晶界处出现一些游离的渗碳体。这些渗碳体包括三次渗碳体，也包括珠光体离异的渗碳体，即在共析转变时，珠光体中的铁素体依附在已经存在的先共析铁素体上生长，最后把渗碳体留在晶界处当继续冷却时，从铁素体中析出的三次铁素体又会在附加在离异的共析渗碳体上。渗碳体在晶界上分布，将引起晶界脆性，使低碳钢的工艺性能（主要是冷冲压性能）恶化，也使钢的综合力学性能降低。这也是对q235钢进行渗碳热处理的一个主要原因。2.1.2 渗碳方式的选择根据渗碳剂的不同，渗碳方法有固体渗碳、气体渗碳和离子渗碳。常用的是前两种，尤其是气体渗碳在生产中尤为广泛。我们在这这次对q235钢的渗碳实验中，选择的是固体渗碳的方式。如下对三种渗碳方法简单描述并加以比较。(1) 固体渗碳 固体渗碳是将低碳钢件放入装满固体渗碳剂的渗碳箱中，密封后送入炉中加热至渗碳温度保温，以便于活性碳原子渗入工件表层。固体渗碳剂有一定颗粒度的木炭加碳酸盐混合而成。渗碳温度一般为900930,渗碳保温时间视层深要求决定，一般需要十几个小时，但是有序我们这次试验的试样较小，所以渗层很浅，因此时间只需要56个小时。固体渗碳的优点在于不需要专门的设备，工艺简单，适用于单件货小批量生产。正是因为固体渗碳有这方面的有点，适合学校里的小型实验操作，所以我们这次采用固体渗碳方法。(2) 气体渗碳 气体渗碳是将零件放入含有气体渗碳介质的密封高温炉罐中进行碳的渗入过程的渗碳方法。渗碳温度一般为920950.但是由渗剂直接滴入炉内进行渗碳时，由于热烈分解出的活性碳原子过多，不能全部为零件表面吸收而已炭黑、焦油等形式沉积于零件表面，阻碍渗碳过程，而且渗碳气氛的碳势也不易控制。因此，气体渗碳不适应于学校的小规模的实验，且在成本方面远远多于固体渗碳的，所以没有采用气体渗碳。(3) 离子渗碳 离子渗碳是在低于一个大气压的渗碳气氛中，利用工件(阴极)和阳极之间产生的辉光放电进行渗碳的工艺。离子渗碳的渗碳速度高，可以精细的控制渗层深度和渗层组织的分布，渗碳效率高，渗层的表面质量好，在渗碳的零件上不产生炭黑或很少，对于有细长孔或孔槽的零件有较好的渗碳效果。但是同时由于成本较高，不适用于我们这个实验，所以不被采用。总之，在综合考虑三种渗碳方法的利与弊的基础上，选择固体渗碳作为我们的渗碳方法。2.2 渗碳前的q235钢试样的制备2.2.1 q235钢试样的机加工将q235钢的原始试样经车床、磨床的初步加工至圆柱形，尺寸约为101020mm。我们一共制备了六个试样，其中五个用于渗碳，剩下的一个作为原始组织当做比较对象。由于试样制备完成后要在显微镜上观察金相组织，而且在渗碳的过程中必须要保证每个面的深层深度相对一样，所以一定要保证工件各个加工面的精度;加工时,工件绕某一固定轴线回转,各表面具有同一的回转轴线,故同时保证加工面间同轴度的要求，但是，仅仅通过机加工得到的试样表面的精度是远远不符合金相组织的观察和之后的渗碳要求的，因此之后要进行精加工。通过机加工为后面的精加工的提供了一个较好的表面基础。2.2.2 q235钢试样的精加工在对q235钢机加工之后，为了满足渗碳和金相组织观察要求，还需进行精加工。（1) 在试样上仍有比较粗大的划痕的时候，先用砂轮进行打磨。打磨至表面相对平整。（2) 我们这里说的精加工，第一大步就是用砂纸手工打磨，直至打磨至满足要求。首先，用粗砂纸进行打磨，这一步完成的要求在于试样首先要平，不能一端高，一端低，也不能两端低中间高或是中间凹下去，这些都是不允许存在的，否则需要重新打磨，并且在粗砂打磨后，要求划痕必须只按一个方向（这是每一步砂纸打磨是的共同要求），否则也重新打磨，满足以上要求时，代表粗砂打磨完成，可以进行下一步的砂纸打磨；第二步，用1#砂纸打磨，打磨要求和粗砂大致相同，当然划痕要相对于细小一些；第三步，用0#砂纸打磨，要求同上；第四步，01#砂纸打磨，要求同上；第五步，02#砂纸打磨，要求同上；第六步，03#砂纸打磨，要求同上；第七步，04#砂纸打磨，要求同上。总而言之，在砂纸手工打磨过程中，我们一定要注意试样的表面的平面度，尽量保证一个较高的平面度和两平面之间的垂直度，是每个平面上的划痕都是朝着一个方向的，尤其需要注意的是试样平面的边缘处的打磨，尽量保证边缘处的精确度一样满足要求，不能有“塌陷”的边缘存在。砂纸打磨的顺序为粗砂1#0#01#02#03#04#。如果在某一步出现表面不平的现象，很有可能需要重新从粗砂开始打磨。（3) 在完成砂纸的打磨后，我们的试样已经达到了渗碳的表面要求，因此可以进行渗碳试验了。对于其中一个不进行渗碳实验的试样，为了达到实验金相观察的镜面要求，仍需打磨。这次是在抛光机上打磨，直至完成镜面要求。在用抛光机抛光时，试样磨面与抛光盘应绝对平行并均匀的轻压在抛光盘上，注意防止试样飞出和因压力过大而产生新划痕。同时还应使试样自转并沿转盘半径方向来回移动，以避免抛光织物局部磨损太快在抛光过程中要不断添加微粉悬浮液，是抛光织物保持一定湿度。湿度太大会减弱抛光的磨痕作用，使试样中硬相呈现浮凸和钢中非金属夹杂物及铸铁中石墨相产生“曳尾”现象；湿度太小时，由于摩擦生热会使试样升温，润滑作用减小，磨面失去光泽，甚至出现黑斑。为了达到抛光的目的，要求转盘转速较低，抛光的时间应该要比去掉划痕的时间长些。（4) 抛光达到要求后，就要对试样进行腐蚀处理了。首先对抛光后的试样用清水清洗，清洗过程中要用药棉等较柔较软的物品进行擦拭；然后再用酒精进行清洗，清洗过后用电吹风吹干；再次，用4%的硝酸酒精进行腐蚀处理，在腐蚀大概15秒左右的时间后拿出迅速用清水清洗，最后吹开。此时的试样已经达到了观察金相组织的要求了。（5) 其中五个试样完成渗碳热处理后，由于需要观察渗碳后的组织，以便于同原始组织进行对比，所以仍需进行砂纸打磨，抛光机抛光处理，以达到镜面效果，所以那五个试样要按照上面的一步一步一步再次来过，完成后就可以进行金相观察和比较。 综上所述，试样的制备过程中，我们需要保证试样的平面度与垂直度，和尽量减少表面划痕的存在，这样我们才能在金相观察时能够更好的比较分析试样渗碳后的组织变化。2.3 q235钢试样的渗碳热处理 在本章第一节我们已经分析了在这次渗碳实验中采用固体渗碳时最合适的。所以下面进一步分析渗碳的过程。2.3.1 渗碳试样的分组在渗碳过程中，我们为了得到不同的渗层深度，但是在渗碳时间和温度相同的情况下，只能依靠改变渗碳时渗入的碳含量来控制，因此我们利用稀土的含量来控制渗碳的含量，从而达到不同渗层深度的目的。我们依次选用分别含1%、3%、5%、8%稀土的固体渗碳剂进行渗碳。我们在确定分组方案后，将稀土与固体渗碳剂按照分组的四种比例进行混合，尽量混合均匀；对于较大的固体渗碳颗粒应该予以碾碎，保证更好的渗碳。然后将混合好的四组渗碳剂分别放入四个差不多大小的渗碳罐中，保证渗碳剂能够刚好将渗碳罐填满，尽量减少渗碳罐中的间隙，使得渗碳剂在高温下不易被氧化。在装罐后，要用密封泥对渗碳罐的合盖处进行密封，防止高温下渗碳剂发生氧化。密封好后，将四个渗碳罐同时放入加热到指定温度的炉中。2.3.2 渗碳实验的温度与时间固体渗碳温度一般在900950之间，我们选择930。而且在正常情况下，渗碳所需要的时间一般有十几个小时，但是由于我们的试样尺寸较小，所以只需要56个小时即可。在用密封泥完成渗碳罐的密封后，要先放置一段时间，以尽量使得密封泥不是要潮湿，但也不要太干。在放置过程中，我们要对渗碳炉进行升温，并按照渗碳炉的使用规范设置安全温度和报警温度。因为炉温在停止加热后仍有一定的上升空间，所以一般安全温度和报警温度比所需温度要低上几度，我们设在927。在完成升温后，我们要同时将四个渗碳罐放入炉中。在放入过程中我们要注意，不要让渗碳罐碰到炉壁，以防止受热不均，从而导致渗碳不均，影响金相的观察和比较，也会对深层深度的测量和表面硬度的测试造成很大的障碍；当然两个相邻的渗碳炉也不要想接触。在将渗碳罐放入渗碳炉中之后，炉内温度定会下降一部分，当我们等到温度再次上升到930度时，我们才可以开始计时。在保温阶段，我们必须一直守在渗碳炉旁，以免发生什么意外情况。在保温6个小时后我们切断电源，及不再保温，进入炉冷阶段。在冷却20个小时左右后，打开渗碳炉，拿出渗碳罐后取出试样。此时的试样已经完成了整个渗碳过程，在取试样的过程中一定要注意不要将分组好的试样弄混，否则在观察比较过程中会有些不必要的麻烦。2.4 渗碳后的试样的制备试样渗碳结束后，由于要观察其金相组织，以便于同原始试样进行比较分析，所以仍需进行试样表面的打磨。这一打磨过程同之前的试样制备过程完全一样。注意事项也是保持试样表面的平面度和垂直度，以及在表面边缘处一定不要产生塌陷现象，否则在组织观察过程中会很模糊，不能清楚的比较分析试样从表面到心部的组织变化规律，更加不能同原始组织相对比，不能得到所需的实验结果。试样得到镜面效果后即可观察使用的金相组织。2.5 渗碳试样的金相组织观察与分析 渗碳结束后，试样应进行金相组织的观察，以用来进行组织的分析与同原始试样组织的比较。试样观察需用金相组织观察显微镜，通过光电转换技术得以在电脑上观察，并拍照，用以之后的分析。由于之前渗碳时是将试样按照渗碳剂含稀土量的多少分为四组，现在按照四组来分析随着稀土含量的多少，渗碳试样的组织性能的变化情况。对于稀土对渗碳过程的作用，我们简单做下说明。在稀土渗碳时未发现有稀土元素渗入到试样里面，稀土催渗的机理是由于稀土元素对渗碳工件表面有净化作用，使渗碳工件表面吸附活性碳原子能力增强，稀土元素还能加速渗碳剂的活性碳原子分解，从而提高了渗碳工件表面碳的浓度梯度，使渗碳速度加快。从而加入稀土之后，渗碳层的有效硬度层增加；碳化物的分布也较为细小，则提高了试样渗碳后的性能；加入稀土渗碳后，渗碳层的表面压应力也随之增加。这是我们所应该具备的专业知识，这次实验也是在验证这一结论。表2.1 机床渗碳零件的渗碳层深度渗碳层深度/mm 应 用 举 例0.20.40.40.70.71.11.11.51.52 厚度小于1.2mm的摩擦片，样板等 厚度小于2mm的摩擦片，小轴，小型离合器，样板等 轴，套筒，活塞，支承销，离合器等 主轴，套筒，大型离合器等 镶钢导轨，大轴，模数较大的齿轮，大轴承环等2.5.1 稀土含量为零时的组织（组织金相图为用400倍放大后拍的）这是一种特殊的情况，我们不加入其他任何的促渗剂，完全是依靠温度和时间来完成整个渗碳的过程。由显微镜观察并拍照得出以下的一些金相照片。 由图2.2和图2.3可知，这是渗碳试样的表面的表层部分部分，尤其是图2.2，可以说是渗碳表面的边缘部分。同时我们还知道，由于在试样的制备过程中，在打磨试样的边缘部分的时候没有处理好，所以导致边缘部分及表层的塌陷，所以整个表面不是很平整，所以在拍照的过程中，不能很清楚的拍到整个多要拍摄的区域，导致表层部分的模糊不清，但是并不影响我们的比较分析。这一部分为渗碳层的过共析层。是珠光体加二次渗碳体的组织。由图可知，表层上白色的网状组织即为二次渗碳体，而暗黑色的那些组织即为珠光体。在过共析钢中，二次渗碳体的数量是随钢中含碳量的增加而增加的。当含碳量较多时，除了沿奥氏体晶界呈网状分布外，还在晶内呈针状分布。而对于我们的q235钢，含碳量本不算高，属于低碳钢，因而渗碳后，表层的含碳量也不是太高，所以并没有出现针状的二次渗碳体组织。以下为两张经不含稀土的渗碳剂渗碳后得到的渗碳试样的金相图片。 图2.2 图2.3过共析组织由于在含碳量上要高于0.77%，所以在组织上有珠光体和二次渗碳体组成。从而硬度较高，强调度也较高，显然塑性较低。而且在过共析钢中，当含碳量不断升高时，强度实现升高在降低，在含碳量为1%时强度达到最大值。这是由于脆性的二次渗碳体在含碳量高于1%时，于晶界处形成连续的网络，使钢的脆性大大的增加。因而在用拉伸试验测定其强度时，会在脆性的二次渗碳体处出现早期裂纹，并发展至断裂，使抗拉强度下降。在硬度方面，由于硬度是随含碳量的增加而增加，高硬度的渗碳提增多，低硬度的铁素体不断减少，所以使渗碳后的试样硬度较之原始试样有着很大的提高。反之，对于冲击韧性和塑性，含碳量增加时，脆性的渗碳提增多，网状二次渗碳体的出现极大降低了韧性和塑性。总的看来，韧性比塑性下降的要快。 由图2.4和2.5可知，这是两张在表层的过共析层往共析层过度的两张金相图。这两张图很简单，左边部分是过共析组织，也就是表层的渗碳组织，右边的那部分就是共析组织，就是珠光体组织。珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。珠光体中的渗碳体是共析渗碳体，共析渗碳体是与铁素体呈交替分布的层片状；在之后的冷却过程中，会有三次渗碳体的析出，分布在铁素体与渗碳体的相界上，与共析渗碳体连接在一起，但是因为在显微镜下都难以分辨，且数量较少，对珠光体的组织和性能没有明显影响，所以不予以考虑。铁素体是软韧性相，渗碳体是硬脆相。珠光体是铁素体和渗碳体所组成的，渗碳体是以细片状分散的分布在铁素体基体上，起了强化作用。因此珠光体具有较高的强度和硬度，但塑性较差。珠光体内的层片越细，则强度越高。在平衡结晶条件下，珠光体的力学性能，如下表所示。表2.2抗拉强度b1000mpa屈服强度0.2600mpa伸长率10%断面收缩率12%15%硬度241hbw 图2.4 图2.5 在与过共析组织的表层相比较中，因为脆硬相渗碳体的相对减少，和软韧像铁素体的增多，这一过渡区肯定在硬度方面有所下降，而在塑性和韧性方面也会有所提高。且在这一过渡区，切削加工性能也会因为含碳量的相对降低而得到提高，一般认为，钢的硬度大致为250hbw时切削性能较好。而此时过渡区的硬度因为较之表层定会降低，所以切削性能提高；在可锻性方面也会随着含碳量的下降而会稍有提高； 总而言之，在试样表层后的第一个过渡区，因为含碳量的降低，所以导致性能有了一定的变化，但是因为组织变化不是很多，所以性能的变化也不会太明显。 在过渡区之后，是共析层组织。共析组织主要是以珠光体构成的。和之前在过渡区的珠光体组织是一样的，依然是铁素体和共析渗碳体呈层片状分布的机械混合物。其中铁素体和渗碳体的含量可以分别用杠杠定律进行计算： f=skpk=（6.69-0.77）（6.69-0.0218）100%88.7% fe3 c=100%-f11.3%渗碳体与铁素体含量的比值为18。这就是说，如果忽略铁素体和渗碳体比体积上的微小差别，铁素体的体积是渗碳体的8倍。在金相显微镜的观察时，珠光体组织中较厚的片层是铁素体，较薄的片层是渗碳体。在腐蚀金相试样时，被腐蚀的是铁素体和渗碳体的相界面，但是在一般金相显微镜下观察时，由于放大倍数的不同，渗碳体两侧的界面有时分辨不清，看起来合成了一条线。如下两图所示，是四百倍下的珠光体组织照片。珠光体组织中片层排列方向相同的领域叫做一个珠光体领域或珠光体团。相邻珠光体团的取向不同。在显微镜下，不同珠光体团的片层粗细不同，这是由于他们的取向不同所致。 图2.6 图2.7共析层的性能即为珠光体的性能。首先珠光体的性能是介于铁素体和渗碳体之间的，强韧性较好，具体的数据情况在之前已经做过表述；其次力学性能也是介于铁素体和渗碳体之间的，强度较高，硬度适中，塑性和韧性较好。 共析层之后也是一个过渡区，是由共析层过渡到原始组织的过度组织。所以这一部分的组织是由珠光体组织和原始组织共同组成的。按照如下的两图来说（图2,8和图2.9），左边的一部分是珠光体组织，而右边的那部分是原始组织。对于q235钢，在加热至930度保温六个小时后随炉缓冷，得到的组织则是应该和完全退火后的组织类似，则应该是珠光体和铁素体的机械混合物。对于过渡区，由于珠光体的比例肯定要大于铁素体，所以这片混合物的性能应该倾向于珠光体的性能。如果组织越靠近心部，则珠光体的比例在相对的减少，但是还是要远远多于铁素体。 图2.8 图2.9 这一部分是q235钢在加热随炉缓冷后所得到的组织，与退火很相似。所以得到的组织也是珠光体和铁素体的机械混合物。如图2.10和图2.11所示，白亮色的晶粒是铁素体，而暗黑色的是珠光体。很显然，这部分的性能是与珠光体和铁素体的比例是密切相关的。哪个的比例大，则混合物的性能则更倾向于哪种组织。由于是q235钢的原始组织得到的，所以含碳量并不是很高，类似于亚共析钢的完全退火，相比于原始组织，这一部分虽然没有在成分上发生改变，但是性能却发生很大改善，比如说，晶粒细化了，组织也更加均匀，经过这些也缓和了内应力，降低了硬度和改善了钢的切削加工性。所以说性能得到很大的提高。 图2.10 图2.112.5.2 稀土含量为0.1%时的组织（组织金相图为用200倍放大后拍的）我们在渗碳时在渗碳剂中加入了0.1%的稀土。通过观察金相组织（这一部分的金相图片是有两百倍的显微镜拍下的），和测定有效硬度层，来分析稀土对渗碳的影响。 首先来分析试样的表层部分。如图2.12和2.13所示，对于这一部分，组织是过共析组织，即使珠光体加二次渗碳体的组织的混合物。和之前稀土含量为零的渗碳剂渗碳是一样的，表层上白色的网状组织即为二次渗碳体，而暗黑色的那些组织即为珠光体。在性能方面，也和之前是相似的。而性能的好坏很大程度上取决于含碳量的大小。但是由于在这一组的渗碳剂中假如了0.1%的稀土成分，所以还是有一定的差别。比如说在距心部相同距离的情况下，用汉0.1%稀土成分渗碳剂渗碳的试样要比不用稀土渗碳的试样的硬度要稍微高一点，而且在有效硬度层的比较中，含稀土渗碳要比不含稀土渗碳要深一些。如在从表面之心部0.05mm处，不含稀土渗碳的试样在此处的硬度值为810hv，而含0.1%稀土成分渗碳的试样在此处的硬度要稍高，为811hv；在表面至心部0.15mm处，此处若不含稀土来渗碳，硬度值为750hv，含0.1%稀土渗碳则为755hv。在这些数据中，我们可以有这样的一个猜想，即为刚才提到的，稀土有促渗作用。而是否真的有这样的作用，下面的数据会继续用来验证。一般情况下，表层组织之后是一层由过共析组织过渡到共析组织的过渡区域。如图2.14和2.15所示，左边那部分即为过共析层，而右边的那部分是共析层。所以整个过渡层是由珠光体加二次渗碳体的过共析组织和有珠光体组成的共析成分所构成。在性能方面，由于珠光体的含量要相对较多，所以在性能方面要更倾向于珠光体。珠光体具有较高的强度和硬度，但塑性较差。珠光体内的层片越细，则强度越高。 图2.12 图2.13 图2.14 图2.15 在有效硬度层方面，在从表层到心部相同距离的情况下，这一部分的硬度值要比没有用稀土渗碳的试样的硬度值要高。比如说，在从表层至心部0.3mm处，不用稀土渗碳所得到的试样硬度为430hv，而在加入0.1%的稀土后，试样此处的硬度值为432hv；在距表层0.4mm处，不用稀土渗碳试样此处硬度值是350hv，而在用稀土后硬度值为356hv。当然，硬度值因为渗碳层的越深而越小，这是很显然的问题。 过渡层之后是共析层。其组织成分是珠光体组织，由铁素体和共析渗碳体层片状分布所组成。如图2.16和图2.17所示。 由于在珠光体中铁素体的体积比例大约是渗碳体的八倍，所以图中较厚的一层是铁素体，而较薄的是渗碳体。组织的分布和之前没有加稀土渗碳是相类似的。并且单独讨论共析层的性能，稀土渗碳和之前的不加稀土的渗碳没有多大的区别，但是在试样相对的同一位置，两个不同含量的稀土渗碳所得到的性能肯定存在着明显的区别。比如说在硬度值方面，在距表层0.5mm处，不加稀土渗碳时，试样在此处得到的硬度值为280hv，而在加入0.1%的稀土后却得到了硬度为285hv的硬度值。而在用金相显微镜观察组织时，我们也可以清楚的发现，加入稀土渗碳后，试样的共析层的分布也会里表层更远，离心部更近。当然在加入0.1%的稀土时，观察的不是很明显，但是这种现象确实存在，比如说，在不加稀土渗碳时，试样渗碳后的共析层估计是在0.6mm左右，而在加入0.1%的稀土渗碳后，据金相显微镜的观察，试样的渗碳层会离表层更远，有可能在0.62mm左右。这样的现象再次说明了稀土可能有促渗的作用。稀土的增加也许会增大对渗碳的促进作用，但是具体情况如何，要通过增加稀土量进行渗碳后加以验证。 和之前不用稀土渗碳的试样组织是一样的，在共析层之后定然是由共析层向原始组织过渡的过渡区。一半是共析组织，一半是原始组织。其实在加入稀土渗碳后，在组织成分方面是和没加稀土渗碳是一样的，并没有很大的区别，有差别的就在组织的分布范围上。加入稀土渗碳后，这一过渡区也随着稀土的加入而更加靠近了心部组织，这和前面的共析组织在分布范围上的迁移是相类似的。在性能方面，这一过渡区的性能显然是介于共析层的珠光体和原始组织的性能之间的。硬度方面也是相比没有加稀土渗碳的试样数值要稍高，和之前一样，该过渡区的组织范围也是相对于没有垔渗碳的试样要更加靠近试样的心部。如图2.18所示为过渡区的组织的金相图。 图2.18 这一部分是原始组织的金相图。依据渗碳时的加热温度和冷却方式可以判定心部组织应该是q235钢在完全退火后所得到的组织，这和不加稀土渗碳所得到的组织是一样的。心部的性能也是没有多大的差异，比如说在硬度数值上也是和接近。不一样的地方就是心部即原始组织在整个试样中所占的范围大小。相比于无稀土渗碳时要小上一些。因为在原始组织之前的组织都随着稀土的加入导致每个组织的范围都向心部靠近，所以造成原始组织的范围在缩小，比如说，在离表层有0.75mm时，不加稀土渗碳的试样就已经达到了原始组织了，而在加过稀土后渗碳，试样在里表面0.9mm时才会达到原始组织，显然原始组织的范围缩小了，但是硬度数值是没有多大差异的，都是在200hv左右。在性能方面，这一部分和之前无稀土渗碳所得到的原始组织性能是类似的。如图2.19和图2.20所示，为原始组织的金相图片。 图2.19 图2.20 如图所示，渗碳后的试样原始组织是由珠光体和铁素体组成的，白两色的为铁素体，而暗黑色的则为二次渗碳体。2.5.3 稀土含量为0.3%时的组织（组织金相图为用200倍放大后拍的）依据之前含0.1%稀土时的渗碳试样组织，随着稀土含量的增加，渗碳试样的组织分布可能会再次发生变化。在利用金相组织观察显微镜观察组织和测定渗碳层深度后，会继续判定之前的结论的正确性。 和之前的一样，首先观察的是试样表层的组织分布情况。组织的构成和只用0.1%的稀土渗碳得到的组织是一样的，都是过共析组织，即为珠光体和二次渗碳体的机械混合物，性能方面也很相近。比如说在硬度值方面，距表层0.05mm处，用0.1%的稀土渗碳得到的组织有811hv的硬度值，在用0.3%的稀土渗碳后试样在此处也有812hv的硬度值，所以说差别不是很大。有不用的地方在于，用0.2%的稀土渗碳得到的过共析层的范围相比于用0.1%的稀土渗碳得到的过共析层要稍大。如图2.21和图2.22所示。 图2.21 图2.22过共析层之后的依然是由表面层过渡到共析层的过渡层。一边是过共析组织，一边是共析组织。和之前的一样，也是由珠光体和二次渗碳组织组成的过共析组织和珠光体组织组成的共析层组织构成的。虽然组织构成没有改变，但是组织的范围却较之用含0.1%的稀土的渗碳剂渗碳时的试样组织有所扩大，和前面的现象是一样的。在性能方面，组织的性能便是珠光体和二次渗碳体的性能，没有多大的变化。如距表层0.25mm时，这一次的试样在此处的硬度值为554hv，而只用0.1%的稀土时，此处的硬度值也有553hv；在距表面0.35mm处，此次试样的的硬度值为402hv，用0.1% 的稀土时，为400hv。如图2.23和图2.24所示即为此过渡区的金相组织图。 图2.23 图2.24 这一部分是共析层组织。整个组织的各方面性能和之前用0.1%的稀土渗碳时是大致一样的，不同的地方也只是在于组织分布的范围上。在用金相显微镜观察实验组织时，我们发现用0.3%的稀土渗碳后得到的共析组织比用0.1%的稀土渗碳后得到的该组织离心部要更加近些。而在硬度数值方面，两者非常接近，只是用0.3%的稀土渗碳时会稍稍高些。如在距表面0.4mm处，用0.3%稀土渗碳时此处的硬度值为360hv，而在用0.1%稀土渗碳时，此处也达到了356hv的硬度值。如图2.25和图2.26所示。 图2.25 图2.26 这一部分是过渡区，是由共析层过渡到原始组织的过渡区。一边是珠光体组织，另一部分是原始组织。当然这一部分的原始组织指的是未渗碳之前的组织经过完全退火后所得到的组织，即为珠光体和铁素体的机械混合物。性能和之前的那组大致相同，没有多大的区别。如图所示。 图2.27 这一部分是原始组织。有前面的分析可知，组织是由珠光体和铁素体组成的。且在用金相组织观察显微镜观察试样是发现，这一组的原始组织的分布要比上一组要更加靠近心部，即离心部更近。在测量渗碳层深度后，我们得到，这一组在离表面约1mm左右，而在上一组用0.1%的稀土渗碳时，在约离表层0.9mm处便达到了原始组织的硬度值200hv。这就表明，在稀土的含量增加后，试样渗碳后的组织便会不断向心部扩大相应的组织范围，即稀土的含量增加，使得试样更易渗透。如图所示。 图2.28 图2.29 2.5.4 稀土含量为0.5%时的组织（组织金相图为用200倍放大后拍的)这一组的渗碳剂中稀土含量继续增加，会对上面所得到的一些结论继续加以验证。首先来分析这一组的表层组织。其实表层组织在组织构成方面和上一组并没有多大的区别，同样是过共析组织，是珠光体和二次渗碳体的机械混合物。性能方面也没有多大的改变，如硬度值方面，在离试样表面0.05mm处，这一组的试样在此处的硬度值只比上一组高出1hv；在离试样0.1mm处，这一组在此处的硬度值也仅仅高出上一组4hv。我们在用显微镜观察的时候发现，真正的不同表现在这一组的过共析层的分布范围要比上一组广的多，就和上一组的试样的过共析层比只用0.1%的稀土渗碳的试样的这一组织要广一样。金相组织如下图所示。 图2.30 图2.31这一部分是过渡区，由过共析层向共析层过渡的过渡区域。一部分是过共析层的过共析组织，另一部分则是共析层组织，整个区域有珠光体和二次渗碳体构成。在我们观察的过程中会发现和之前的组织分部一样，整个区域会比前一组的该组织部分更靠近心部。金相组织图如下图所示。 图2.32 图2.33这一部分是共析层，由珠光体组织构成。在观察中可以看出，和前一组的渗碳试样的共析层相比会更加接近心部。而在性能方面，与之前的相比也会很接近。如在离表面0.4mm处，这一组的硬度为368hv，而上一组（含0.3%的稀土渗碳的试样）在此处的硬度为360hv。金相组织图如图2.34和图2.35所示。共析层之后即为另一个过渡区域，是由共析层过渡到原始组织的过渡层。一部分为共析层的珠光体组织，另一部分是原