18Cr2Ni4WA合金鋼高硬度熱處理加工過程試驗(yàn)

摘要：18Cr2Ni4WA是特種鋼，在滲碳淬火的過程中容易形成大量的殘余奧氏體，從而使硬度難以超過HRC56。本文通過可控氣氛多用爐滲碳、淬火、高溫回火、二次淬火、冷凍、回火的實(shí)驗(yàn)過程，可使?jié)B碳層4mm以上的。零件表面硬度達(dá)到HRC60以上。

關(guān)鍵詞：18Cr2Ni4WA、可控氣氛多用爐、滲碳淬火、殘余奧氏體、表面硬度

引言

現(xiàn)代社會(huì)，汽車是一個(gè)國家工業(yè)的縮影。其高性能、高技術(shù)的要求，決定了汽車齒輪箱在設(shè)計(jì)制造技術(shù)方面要先于其它工業(yè)部門追蹤世界先進(jìn)技術(shù)水平。高精度硬齒面齒輪代表了車用、船用齒輪傳動(dòng)裝置的發(fā)展方向。齒輪滲碳淬火后的性能除與心部性能有關(guān)外，還受滲碳層深度、滲碳層的碳含量與金相組織、內(nèi)應(yīng)力的分布等因素的影響

1.工藝分析

某專業(yè)熱處理廠今年承接一批軍用汽車齒輪熱處理任務(wù)，該齒輪材料采用18Cr2Ni4WA 。18Cr2Ni4WA是一種優(yōu)質(zhì)合金鋼，強(qiáng)度高，韌性及淬透性好。

18Cr2Ni4WA化學(xué)成份如下：

碳 C ：0.13～0.19

硅 Si：0.17～0.37

錳 Mn：0.30～0.60

硫 S ：≤0.25

磷 P ：≤0.25

鉻 Cr：1.35～1.65

鎳 Ni：4.00～4.50

銅 Cu： ≤0.025

鎢 W ： 0.08～1.20

18Cr2Ni4WA的熱處理參數(shù)：

正火溫度為930℃-950℃，滲碳溫度為900℃-950℃。第一次淬火溫度860℃-880℃，第二次淬火溫度780℃-810℃。

齒輪技術(shù)要求：

滲碳層深4.5-5.2mm，

表面硬度HRC61-64，

碳化物級別<5級，

殘余奧氏體<3級。

針對該產(chǎn)品的材料特點(diǎn)及技術(shù)要求、用途，確定在豐東600kg可控氣氛多用爐中加工。豐東600kg可控氣氛多用爐的特點(diǎn)比較突出，它采用日本PVH表進(jìn)行編程，并對時(shí)間、溫度、碳勢進(jìn)行控制，溫度的控制精度在±5℃，碳勢的控制精度在±0.05%CP，爐內(nèi)的氣氛由丙烷提供，以甲醇為氣氛載體。

為保證實(shí)驗(yàn)的可靠性，試驗(yàn)前做了定碳測試、九點(diǎn)測溫校驗(yàn)等前期準(zhǔn)備工作。

零件擺放：將被加工零件立放在底料盤上齒輪之間用隔圈分隔。

2.工藝制訂

首輪試制加工工藝如下：

2.1.強(qiáng)滲：溫度930℃，碳勢1.25%CP，時(shí)間6480min；

2.2.擴(kuò)散：溫度930℃，碳勢0.85%CP，時(shí)間720min；；

2.3.淬火：溫度880℃，碳勢0，85%CP，保溫時(shí)間40min，用分級淬火油，淬火油溫65℃，淬火時(shí)間40 min；

2.4.高溫回火：620℃保溫300 min，再升至650℃，保溫480 min，冷至550℃出爐；

2.5.二次淬火：溫度800℃，碳勢0，85%CP，保溫時(shí)間90min，用分級淬火油，淬火油溫65℃，淬火時(shí)間40 min；

2.6.回火：溫度150℃， 時(shí)間210m

3.樣品檢驗(yàn)

按以上工藝加工后，用HV-1000A顯微硬度計(jì)檢查有效硬化層深達(dá)到4.9mm，用XJP-6A金相顯微鏡檢查隨爐試樣，碳化物級別為3級，但殘余奧氏體級別達(dá)到8級，用HLN200型里氏硬度計(jì)檢查表面硬度為52-56HRC。

首輪試驗(yàn)結(jié)果表明，零件變形效果十分理想，滲碳層深及碳化物級別合格，但零件的表面硬度、殘余奧氏體級別不能達(dá)到用戶要求。

4.改進(jìn)工藝

經(jīng)過分析，查找相關(guān)技術(shù)資料，殘余奧氏體級別嚴(yán)重超標(biāo)，未能有效轉(zhuǎn)換為馬氏體，是影響零件表面硬度的主要原因。如何降低殘余奧氏體含量以提高零件表面硬度，是下一步的工作重點(diǎn)。

對于18Cr2Ni4WA這類易產(chǎn)生殘余奧氏體組織的材料而言，消除殘余奧氏體組織的最好辦法就是在回火之前對零件進(jìn)行冷處理。

經(jīng)與用戶交流溝通，在可能增加產(chǎn)品變形情況下，對該爐產(chǎn)品進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)。

因?yàn)樵摖t產(chǎn)品經(jīng)過回火，內(nèi)部組織已經(jīng)穩(wěn)定，那么需要重新制定淬火及淬火以后的工藝。

重新制定的工藝如下：

4.1.高溫回火：620℃保溫300 min，再升至650℃保溫480 min，冷至550℃出爐；

4.2.再次淬火：溫度800℃，碳勢0，85%CP，保溫時(shí)間90min，用分級淬火油，淬火油溫65℃，淬火時(shí)間40 min；

4.3.冷凍處理：溫度-70℃，冷凍時(shí)間60 min；

4.4.硬度檢查：用HLN200型里氏硬度計(jì)檢查表面硬度，

4.5.回火：根據(jù)根據(jù)實(shí)測硬度值確定回火溫度。

再次淬火后，冷至室溫檢查零件表面硬度仍然只有HRC52-56，于是將零件及隨爐試樣放入在FDR-W/0.64冷凍機(jī)中，將溫度降至-70℃，冷凍60 min出爐。

零件恢復(fù)常溫后，用HLN200型里氏硬度計(jì)檢查表面硬度為63.4-67.6HRC.

根據(jù)以上結(jié)果，將回火溫度定為210℃，回火3.5h，出爐冷卻。

5.重新檢驗(yàn)

最終檢查結(jié)果為：用HV-1000A顯微硬度計(jì)檢查有效硬化層深達(dá)到4.9mm，用XJP-6A金相顯微鏡檢查隨爐試樣，碳化物級別為2.5級，但殘余奧氏體級別降到2級，用HLN200型里氏硬度計(jì)檢查表面硬度為61-62.8HRC。

批量生產(chǎn)過程按修改后的工藝生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定，用戶十分滿意。

6.結(jié)束語

實(shí)踐證明，采用可控氣氛多用爐滲碳、淬火、高溫回火、二次淬火、冷凍、回火的工藝過程，可使?jié)B碳層4mm以上的零件表面硬度達(dá)到HRC60以上，零件的內(nèi)部組織穩(wěn)定達(dá)到技術(shù)要求，零件的變形也能控制在合理的范圍內(nèi)，是可以用于批量生產(chǎn)的成熟熱處理工藝。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝紹志《熱處理質(zhì)量控制與檢驗(yàn)務(wù)實(shí)全書》、安徽音響出版社、1986；

[2]汽車滲碳齒輪金相檢驗(yàn)圖片JB1675-75。

作者簡介：

郝勇強(qiáng)（1968--），男 陜西大荔人，本科，機(jī)械工程專業(yè)，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造。