熱處理工藝對18CrNiMo7-6滲碳鋼奧氏體晶粒度的影響

■顧曉明，劉俊偉，李康康，馬良，丁盛

熱處理工藝對18CrNiMo7-6滲碳鋼奧氏體晶粒度的影響

■顧曉明，劉俊偉，李康康，馬良，丁盛

在風電等重載齒輪制造領域，低碳高合金滲碳鋼18CrNiMo7-6已成為當前主流用鋼，該滲碳鋼在國外普遍采用滲碳后降溫直接淬火方法，而在國內，由于鋼錠成分偏析等問題，為防止出現混晶或粗晶缺陷，通常采用滲碳后重新加熱熱處理方法。對于重載滲碳齒輪而言，滲碳淬火后的心部晶粒度影響心部塑性及韌性，心部粗晶或混晶將大幅降低塑性及韌性，降低使用壽命。

齒輪滲碳鋼的晶粒度控制通過鍛件環節的奧氏體晶粒度試驗來監控，通過鍛件環節的晶粒度試驗來預知最終滲碳淬火熱處理后的實際心部晶粒度，GB/ T6394-2002標準有數種奧氏體晶粒度試驗方法，因此，采用何種試驗方法方可真實反映重載齒輪滲碳后重新加熱淬火的實際奧氏體晶粒度顯得尤為重要。

1. 試驗材料及設備

試驗材料化學成分見表1，試驗設備包括試驗電爐、滲碳爐、顯微鏡等，電爐型號為SXL-1016，滲碳爐型號為VBEs-160/300，顯微鏡型號為奧林巴斯GX51。

2. 試驗方法和結果分析

（1）熱處理工藝 試驗材料取自風電齒輪本體，鍛后熱處理采用正火加高溫回火，鍛后組織為粒狀B+F（見圖1）。參照GB/T6394-2002制定六種熱處理工藝方案，工藝方案匯總如表2所示。方案中的830℃溫度選擇基于18CrNiMo7-6材質Ac3線為820℃，該材質通常采用（830±10）℃奧氏體化淬火。

方案6為試樣隨同熔爐號的風電齒輪產品進行滲碳淬火回火熱處理，檢測其最終熱處理后的實際奧氏體晶粒度，將方案1～5的鍛件奧氏體晶粒度結果與方案6結果進行對比分析，以確定何種鍛件奧氏體晶粒度試驗方法可以真實反映產品最終實際奧氏體晶粒度。

圖1　鍛后粒狀B+F組織

圖2　方案4退火后平衡組織

表1　18CrNiMo7-6化學成分（質量分數）　（%）

表2　奧氏體晶粒度試驗方案

（2）奧氏體晶粒度顯示方法 方案1～4以及方案6淬火回火后獲得回火馬氏體組織，采用飽和苦味酸溶液+十二烷基苯磺酸鈉浸蝕劑，室溫浸蝕時間45min；方案5滲碳后爐冷，在滲碳層的過共析區的奧氏體晶界上析出滲碳體網，采用4%硝酸酒精腐蝕，將清晰顯示出奧氏體晶界。

（3）試驗結果 六種熱處理方案浸蝕后的奧氏體晶粒度如圖3～9所示，晶粒度級別選取代表性典型視場，依據標尺進行晶粒度評定，結果匯總如表3所示。圖3、4、5、6、9為100倍視場下晶粒度；圖7、8為500倍視場下晶粒度，采用500倍視場源于晶粒較細，高倍下依據標尺可清晰評定奧氏體晶粒度。

（4）試驗結果分析 方案1表明試驗所選用的鋼錠不適用于930℃直接淬火，滲碳淬火工藝必須選用滲碳后重新加熱淬火，否則直接淬火后將產生混晶問題。方案2表明930℃降至830℃淬火未見奧氏體晶粒度發生明顯變化，表明降溫淬火未改變原奧氏體晶粒度，僅改變冷卻后的組織形態，即冷卻不改變原奧氏體晶粒度。

方案3采用830℃加熱后實現奧氏體晶粒細化，而采用930℃加熱保溫則產生混晶，表明加熱溫度是影響奧氏體晶粒度的最重要因子之一，同時也驗證滲碳后重新加熱830℃奧氏體化淬火實現晶粒細化的可行性。

圖3　930℃直接淬火奧氏體晶粒度

圖4　930℃降溫淬火奧氏體晶粒度

圖5　830℃淬火奧氏體晶粒度

圖6　退火后930℃直接淬火奧氏體晶粒度

圖7　滲碳法過共析層滲碳體網

圖8　隨本體滲碳淬火回火表層實際晶粒度

方案4將正回火后組織為粒狀B+F試樣進行退火處理，獲得細小均勻的平衡態組織P+F，以試驗加熱前鍛件組織對奧氏體晶粒度的影響，試驗加熱至930℃保溫后淬火再次混晶，混晶程度與方案1混晶程度相當，試驗結果表明鍛件原始組織未改變本質混晶狀態，未見鍛件原始組織對奧氏體晶粒度產生明顯影響。

方案5采用滲碳法試驗，與方案1與2相比，奧氏體晶粒度明顯細化，細化原因是在930℃高碳勢下，合金滲碳體以及碳化物析出于奧氏體晶界，在滲碳初期，試樣表層的奧氏體晶粒度來不及長大時，奧氏體晶界處的滲碳體將阻礙奧氏體晶粒長大，起到釘扎晶界作用，使奧氏體晶粒長大受阻。

方案6試驗結果表明930℃直接淬火混晶的試樣，若采用重新加熱熱處理方法，滲碳后的混合晶粒組織在重新加熱時，將重新奧氏體化再結晶，在830℃奧氏體化后，晶粒明顯細化，將消除混晶問題。

將方案1～5與方案6對比分析，發現830℃淬火法以及滲碳法奧氏體晶粒度結果與最終實際奧氏體晶粒度基本吻合，但830℃淬火法加熱溫度相對較低，其晶粒明顯細于產品實際心部晶粒度，滲碳法比830℃淬火法更能相對真實反映產品熱處理后心部實際晶粒度。

對于18CrNiMo7-6高合金滲碳鋼，若采用滲碳后降溫直接淬火法，必須進行方案1所示的滲碳溫度加熱直接淬火法試驗驗證，試驗直接淬火后無混晶且細晶粒，試驗材質方可具備滲碳后降溫直接淬火的可能，否則必須施行滲碳后重新加熱方案。對于選取滲碳后重新加熱方案的18CrNiMo7-6齒輪滲碳件，鍛件奧氏體晶粒度試驗方案采用滲碳法可以相對真實反映最終滲碳淬火回火熱處理后的實際產品心部晶粒度。上述試驗結果也是對BS EN10084：2008附錄A.4細晶粒鋼章節“Unless otherwise agreed at the time of enquiry and order，the grain size shall be determined from a carburised specimen除非詢價和訂貨時另作規定，否則應使用滲碳試件測定晶粒度”的驗證。

3. 結語

（1）采用滲碳后重新加熱方案的18CrNiMo7-6齒輪件，鍛件奧氏體晶粒度熱處理方案采用滲碳法可以相對真實反映產品最終滲碳淬火回火后的實際心部晶粒度。

圖9　隨本體滲碳淬火回火心部實際晶粒度

（2）930℃降溫淬火未改變奧氏體晶粒度；奧氏體化溫度是影響晶粒度的重要因子之一，奧氏體化溫度提高至930℃將顯著影響微區的奧氏體晶粒大小。

（3）鍛件組織為粒狀B（貝氏體）或P+F（珠光體加鐵素體），兩者930℃直接淬火后奧氏體晶粒度未見明顯差別。

（4）奧氏體晶界處的滲碳體將阻礙奧氏體晶粒長大，起到釘扎晶界作用，使奧氏體晶粒長大受阻。

（5）930℃直接淬火混晶的材質，必須采用滲碳后重新加熱方案，否則將產生混晶缺陷。

（6）滲碳溫度直接淬火后無混晶且細晶粒，試驗材質方可具備滲碳后降溫直接淬火的可能。

顧曉明、李康康、馬良、丁盛，常州天山重工機械有限公司；劉俊偉，上海森松化工成套裝備有限公司。