混晶是指晶粒度大小不一的混雜在一起。通常把相差3-4級晶粒度的晶粒同時出現(xiàn)在金相組織當中的情況，就認為發(fā)生了混晶。當大晶粒所占比例超過10%時，將容易造成機械零件的早期失效。

以ZF7鋼零件為例，滲碳硬化層深度要求在1.2-1.9mm513HV1，鋼的化學成分見表1，分析樣品均位于加熱室中心位置（見圖1）。

01 實驗方案

根據(jù)經(jīng)驗或現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝，設計了4種實驗方案（表2）。  

根據(jù)相關標準：以晶粒度≥5級，可以接受3級和4級的面積百分比不超過觀察視場面積10% , 沒有＜3級的晶粒出現(xiàn)的金相組織判為沒有混晶。

02 實驗

1）慢速升溫的滲碳淬火工藝流程

加熱輸出功率由90%降至75%，升溫時間4h，經(jīng)940±5℃滲碳840min降溫直接淬火，得到的金相組織存在混晶（圖2），不符合標準要求的≥5級晶粒度。

2）升溫過程增加770℃等溫后快速升溫的滲碳淬火工藝流程

加熱輸出功率按90%升溫，過程中增加770℃×1h的等溫，升溫時間2h+770℃等溫1h，經(jīng)940±5℃滲碳840min降溫后淬火，得到的金相組織存在混晶（圖3），不符合標準要求的≥5級晶粒度。

3）滲碳緩冷+一次加熱淬火

整爐產(chǎn)品經(jīng)940滲碳630min并降溫至880±5℃均熱后，搬入前室緩冷90min，工件溫度降低至300±50℃，再進行一次加熱淬火，得到的晶粒度≥5級（圖4），符合標準要求。

4）快速升溫的滲碳淬火工藝流程

整爐產(chǎn)品經(jīng)450℃預熱處理后進爐，加熱輸出功率提高至100%，升溫時間1.5h，經(jīng)940±5℃滲碳840min降溫后淬火，得到的晶粒度≥5級（圖5），符合標準要求。

03 討論

1)滲碳后緩冷+一次加熱淬火改善晶粒度

在940±5℃滲碳得到一定滲層和碳濃度梯度后降溫到600℃以下，奧氏體轉變?yōu)橹楣怏w團+鐵素體，再加熱到淬火溫度淬火。在降溫過程中奧氏體中的碳化物粒子析出，再次加熱時，由于加熱溫度遠低于滲碳溫度，彌散分布的碳化物粒子將不會溶解或少量溶解，對奧氏體晶界產(chǎn)生釘扎作用，限制了奧氏體晶粒的長大。同時在降溫和升溫的組織轉變過程中，奧氏體晶粒得到重新形核長大，滲碳時產(chǎn)生的不均勻晶粒將得到了改善。

2)快速升溫改善晶粒度

根據(jù)形核長大的相變理論，在Ac1以上一定溫度范圍，奧氏體晶核先在珠光體內形成，穩(wěn)定長大至相鄰晶粒的晶界接觸，形成奧氏體初始晶粒。奧氏體初始晶粒度決定于形核率N和長大速度G的比例，加熱速度快，奧氏體形核率大，長大速度相對形核率較小，即形核率N和長大速度G的比值N/G就越大，將獲得更多的起始晶粒。在一定時間內形成晶粒數(shù)量越多，奧氏體晶粒將不可能充分長大。且彌散質點的分布有利于阻止晶粒長大，所以均勻細小的初始奧氏體晶粒在高溫長時間保溫也不會明顯長大。

04 結論

1）升溫速度慢、升溫時間長，升溫過程的某一溫度區(qū)間形核率N和長大速度G的比值N/G小，早形核、先長大的晶粒吞并后形核、未充分長大的細小晶粒，是導致熱處理后出現(xiàn)混晶的因素之一。

2）采用滲碳緩冷+一次加熱淬火的工藝，能夠避免出現(xiàn)混晶，但增加處理周期和能耗，綜合成本提高。

3）提高預熱溫度至450℃，縮短在加熱爐的升溫時間，提高升溫速度，可以避免出現(xiàn)混晶，且處理效率有一定提高，綜合成本降低。