某16MnCr5零件，厚4mm，渗碳淬火后表面硬度要求大于700HV3， 但在实际生产过程中，热处理表面硬度低于700 HV3。如何合理选配渗碳温度、渗碳碳势、淬火温度、淬火碳势，通过改善热处理后表面残余奥氏体的量来达到要求。

1 实验材料及原热处理工艺

实验材料的化学成分见表1。

要求渗碳淬火后表面硬度>700HV3，表面组织只允许存在10%的残余奥氏体。

热处理设备为中日合资盐城丰东公司的BBH-600 预抽真空多用炉；淬火用油为上海好富顿HQG 油； 热处理气氛为滴注式气氛， 渗碳温度880℃，碳势：1.15%直接淬火。经此工艺处理后，表面硬度660～690HV3，表面组织中存在约20%的残余奥氏体。

2 原因分析及实验验证

2．1 表面组织的验证

热处理后表面硬度低，通过PFMER 分析，可能原因是热处理后表面残余奥氏体多。经检测金相组织，表面存在约20%的残余奥氏体，如图1所示。为验证热处理后表面组织残余奥氏体的真实性， 通过冷处理和高温回火处理来验证。冷处理使残余奥氏体在0℃以下转变为马氏体；零件渗碳后，在680℃左右进行长时间的高温回火， 使奥氏体分解为珠光体，然后再低温(750～780℃)淬火。

2.1.1 深冷处理

先进行深冷处理，在-180℃保温120 min；然后在多用炉中进行低温(200℃)保温120min 回火。热处理后重新检测硬度和金相组织，硬度在770HV3以上，表面组织中不存在残余奥氏体。

2.1.2 高温回火处理

先用井式炉进行退火，650℃保温120 min 后随炉降温，降到250℃左右出炉空冷；然后在多用炉中于780℃保温90min 后直接油冷。热处理后重新检测硬度和金相组织，硬度在730HV3 以上，表面组织不存在残余奥氏体。根据以上分析得， 由于表面组织存在过量的残留奥氏体，引起零件表面硬度低。

2．2 残余奥氏体过量的原因分析

引起残留奥氏体过量的主要原因有： ①钢中合金元素过多。如Cr、Mn 等元素溶入奥氏体中，提高了奥氏体的稳定性，使淬火后残留奥氏体量增多。②渗层碳的质量分数过高。渗碳气体碳势过高和渗碳温度偏高，使溶入奥氏体中的碳量增加，使淬火后残留奥氏体量增多。由于原材料的化学成分不可改变， 只能通过合理选择渗碳温度、淬火温度、炉内碳势来改变表面组织， 降低残留奥氏体量，使表面硬度达到技术要求。

2．3 热处理工艺试验

2.3.1 渗碳温度及淬火温度的选择：

经查手册知：淬火Ⅰ(心部)：(850～880)℃，淬火Ⅱ(表层)：(810～840)℃油冷； 所以选择在840～860℃做热处理工艺试验。

2.3.2 渗碳碳势及淬火碳势的选择热处理后零件表面含碳量在0.7%时硬度最高， 考虑到炉气碳势要高出零件表面含碳量0.2%～0.4%[5]。通过DOE 试验最终确定，渗碳温度860℃，碳势1.0%；淬火温度840℃，碳势0.6%。热处理后检测表面硬度和金相组织。结果表面硬度>700HV3，表面组织存在约5%的残余奥氏体，满足产品技术要求。

3 结语

(1) 零件热处理表面硬度不合格时， 要充分利用金相学分析组织， 并通过实际试验来验证组织判断的合理性。

(2) 合理选择渗碳热处理工艺参数， 确保金相组织符合技术要求，从而使硬度指标合格。