渗碳层非马氏体组织的控制方法
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普通气体渗碳过程中，非马氏体组织的产生是不可避免的，但是非马氏体组织的控制可以从渗碳（碳氮共渗）零件原材料、热处理工艺、渗碳介质及设备等方面进行综合考虑，从而最大限度减少非马氏体组织。
1. 渗碳零件原材料方面
从钢材合金元素方面考虑，由于钢中的Si有大的氧化势系数，是决定钢内氧化深度的重要因素之一，因此应尽可能采用低的Si含量钢材，如采用优质渗碳钢（如DSG1钢，Si含量降至0.15%以下，而使内氧化现象及非马氏体大为减少）；钢中的Mn是影响内氧化强度的重要因素，应适当控制Mn含量。
内氧化的程度一方面取决于渗碳气氛及渗碳条件；另一方面取决于渗碳材料中的合金元素。
许多资料研究表明，使用含Ni、Mo元素的渗碳钢可以大大减轻内氧化程度，原因是Ni、Mo的氧化倾向较小且能强烈增加钢的淬透性能。因此，国外发达国家大多采用含Ni、Mo钢材制造渗碳零件（如齿轮）。同20CrMnTi钢相比，采用美国8620H（相当于国内20CrNiMoH）、日本SCM822H（相当于国内22CrMoH）、德国17CrNiMo6（相当于国内17CrNiMo6H）等渗碳钢淬火，可减轻非马氏体组织的产生。
2. 热处理工艺方面
非马氏体组织的产生在很大程度上又取决于气氛的氧势或碳势、渗碳介质中含水量、渗碳温度、加热和排气过程和渗碳时间等。
（1）采用氮—甲醇工艺减少非马氏体组织
在可控气氛中，氮气是作为稀释气使用的，当气氛中加入一定量的氮气时，可以减少原料气的消耗，减少炭黑的形成。试验表明，在渗碳气氛中通入氮气后，建立碳势的速度加快，碳势增高。这是由于经氮气稀释后，炉气的分解率提高，CO和H2O含量降低，碳的活度增大，使反应加快，渗碳速度加快。在氮基渗碳气氛中，不仅CO2和H2O可以减少，而
且CO也可以适当降低。由于CO2和H2O可同钢中的Cr、Mn、Si等元素发生氧化作用。因此，氮基气氛渗碳可以降低钢件的内氧化程度。从而减轻非马氏体组织的产生。
（2）通过调整氮气—甲醇裂解气氛比例改善晶界氧化与非马氏体
设备采用连续式推杆式渗碳炉，渗碳主炉为4个区。渗碳气氛采用还原性保护气氛，从2、3区通入氮气和甲醇，氮气和甲醇裂解气氛的比例为1∶2左右，氮气采用真空纤维薄膜分离制氮机生产，纯度＞99.5%。富化气氛为丙烷和氨气，2、3区通入丙烷作为渗碳富化气氛，在4区通入氨气作为渗氮的富化气氛。经过PID参数的调整，空气的通入频率已经很低，但是晶间氧化仍很严重，碳氮共渗齿轮表层晶界氧化层深度＞0.02mm，不合格。
改进工艺及效果：通过分析炉子气氛的氮气和甲醇裂解气体的配比，理论上甲醇裂解气氛的含量越大，越有利于防止表面氧化。为此，调整氮气与甲醇裂解气氛比例，从原来氮气∶甲醇裂解气氛=1∶2，改为氮气∶甲醇裂解气氛=2∶8，但氮气总量不变。因此，降低了炉内氧势，增加了炉气换气量。碳氮共渗齿轮表层晶界氧化层深度≤0.02mm，合格。
（3）采取高碳势渗碳，减少内齿圈渗碳淬火黑色组织
自由轮内齿圈，材料20CrMnTi钢。渗碳设备为多用炉，渗碳剂采用丙烷及甲醇。渗碳淬火后的齿轮表层黑色组织深度＞0.02mm。改进工艺措施及检验结果如下：
①碳势越高，则相应气氛中的氧分压就越低，内氧化的程度就越低。为此，提高各区碳势，如表2所示。碳势提高后，渗层表面的黑色组织明显减少，大多数层深为0.02mm，达到了技术要求。并提高了渗碳速度，缩短了渗碳时间30~150min。
②采用较高冷却速度的淬火介质可以减少零件表面的黑色组织，提高零件的表面硬度。
表2 碳势和相关工艺参数调整后的黑色组织
工艺 | 强渗 | 扩散 | 黑色组织 层深/mm | 要求渗碳层 深度/mm |
时间/min | 碳势/% | 时间/min | 碳势/% |
原来 | 调整后 | 原来 | 调整后 | 原来 | 调整后 | 原来 | 调整后 | 原来 | 调整后 |
1 | 330 | 210 | 1.05 | 1.1 | 330 | 240 | 0.75 | 0.85 | 0.10 | 0.02 | 1.5~2.0 |
2 | 120 | 100 | 1.05 | 1.1 | 100 | 80 | 0.75 | 0.85 | 0.07 | 0.02 | 1.1~1.5 |
3 | 90 | 70 | 1.05 | 1.1 | 70 | 60 | 0.75 | 0.85 | 0.07 | 0.02 | 0.8~1.2 |
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（4）采用BH催渗渗碳技术及稀土渗碳技术改善非马氏体
①虽然在渗碳加热阶段时间通常仅为50~90min，但是由于工件装炉而进入大量空气，增加炉气氧势，因此，在升温排气阶段加大渗碳介质流量，已增加碳势，缩短排气时间也有利于减少非马氏体组织的产生。或在气氛中加入含有渗碳介质裂解催化剂（如BH催渗剂及稀土催渗剂等），使碳势尽快达到设定值，将有利于减少非马氏体组织。
②强渗阶段，在不产生明显炭黑前提下，尽可能采用高的炉气碳势（如BH催渗渗碳、稀土渗碳，在同样温度下采用比正常工艺碳势高0.2%），降低渗碳气氛中的氧分压，则钢件表面至内部氧浓度梯度降低，这有助于减轻内氧化程度。不仅具有更高的渗速，而且缩短渗碳时间。
③内氧化的大部分是在强渗和扩散阶段期间发生的，因此应采用所有能够提高渗碳速度和缩短渗碳总时间的措施（不包括温度）。采用BH催渗渗碳技术及稀土渗碳技术，可提高渗碳速度15%~20%，减少非马氏体组织的产生。
BH催渗渗碳技术：EQ—145型“东风”汽车后桥从动螺旋锥齿轮，材料20CrMoH钢，技术要
求为渗碳层深度1.7~2.1mm，表面与心部硬度分别为58~64HRC和30~40HRC，非马氏体组织层深≤0.02mm。渗碳设备采用LSX15型连续式渗碳自动生产线。装炉方式齿面向上平放，每盘两摞，每摞6件。原渗碳工艺及快速BH催渗渗碳工艺如表3所示。检验结果表明，在获得相同渗碳层深度条件下，采用快速BH工艺后推料周期由原来50~52min缩短至37~38min，工艺周期缩短4.4h，提高渗碳速度25%以上，渗碳层非马氏体组织得到了改善，表层非马氏体组织深度控制在≤0.02mm。
表3 原渗碳工艺及快速BH工艺
区域 | | 一区 | 二区 | 三区 | 四区 | 五区 |
温度/℃ | 用BH前 | 860 | 900 | 930 | 910 | 820 |
用BH后 | 860 | 900 | 930 | 910 | 820 |
碳势/%C | 用BH前 | | 1.05 | 1.30 | 1.05 | 0.95 |
用BH后 | | 1.20 | 1.30 | 1.00 | 0.85 |
甲醇/ml.min-1 | 用BH前 | 0 | 60 | 50 | 60 | 0 |
用BH后 | 18 | 0 | 16 | 20 | 20 |
丙酮/ml.min-1 | 用BH前 | 0 | 10 | 25 | 0~10 | 0 |
用BH后 | 0 | 18 | 18 | 0 | 0 |
空气/m.h-1 | 用BH前 | 0 | 0 | 0~0.35 | 0~0.30 | 0~0.25 |
用BH后 | 0 | 0 | 0~0.6 | 0~0.6 | 0~0.25 |
推料周期/min | 用BH前 | 50~52 |
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稀土渗碳技术：稀土渗碳工艺及稀土渗剂，一汽连续式渗碳自动生产线上稀土渗碳工艺如表4所示。稀土催渗剂采用YF—Ⅲ型复合稀土催渗剂，该催渗剂以2.5∶200V/V溶解于甲醇中使用。
