18CrNiMo7-6和20CrNi2MoA材料滲碳直接淬火工藝研究

■■米佩，陳增謀

18CrNiMo7-6和20CrNi2MoA材料滲碳直接淬火工藝研究

■■米佩，陳增謀

通過調節18CrNiMo7-6和20CrNi2MoA兩種材料滲碳時表面含碳量，得出適用于此兩種材料的滲碳直接淬火工藝，且工件滲碳直接淬火后滲層達到工藝設定值1.9mm，硬度達到58～62HRC，滲層金相組織符合JB/T6141.3-1992《重載齒輪滲碳金相檢驗》。

目前，滲碳淬火工藝主要有兩種：一種是在930℃進行規定的滲碳擴散處理后，降溫至800～850℃，待爐內工件溫度達到設定溫度后進行淬火處理，稱為滲碳直接淬火；另一種是采用重新加熱淬火工藝，即齒輪滲碳后先空冷或爐冷到室溫，再重新加熱到奧氏體化溫度保溫后在油中淬火，采用此種工藝時工件變形大，工序多，制造周期長，成本高。

直接淬火與重新加熱淬火相比容易出現以下問題：工件表面硬度略低；滲層中殘留奧氏體量多；表面晶粒粗大。

1. 試驗材料

用齒輪粗車件來代替滲碳齒輪件，隨爐裝材料為18CrNiMo7-6和20CrNi2MoA剝層試棒各1件，材料為18CrNiMo7-6、20CrNi2MoA和20CrMnTi滲碳試塊各1塊，剝層試棒用于表面到中心碳含量的分析，試塊用于滲碳金相組織、硬度的檢驗。

2. 技術要求

工藝要求滲碳層深度1.7～2.1mm，硬度58～62HRC，金相組織級別：馬氏體及殘留奧氏體≤4級、碳化物≤3級、心部鐵素體≤4級。

3. 試驗參數及方法

本次試驗采用匯森多用爐，功率220kW。

（1）試塊硬度、金相顯微組織檢測 對試塊淬火、回火處理后進行硬度、金相組織檢驗，其中試塊采用TH301洛氏硬度計檢測硬度；用光學顯微鏡DM13000M，按照GB/T13298—1991《金屬顯微組織檢驗方法》規定檢測顯微組織。

（2）滲碳試驗參數 滲碳工序工藝：滲碳淬火+冷處理+一次低溫回火+二次低溫回火+拋丸處理。滲碳淬火工藝曲線如圖1所示，設定滲碳層深度1.9mm。

4. 三種材料試驗分析

（1）試塊滲碳處理后硬度、滲層結果見表1所示。

圖1　三種試塊滲碳淬火工藝曲線

表1　三種試塊滲碳處理后結果

從表1可以得出，三種材料采用上述工藝參數處理后，滲層深度均為1.9mm，滿足技術要求1.7～2.1mm，硬度滿足技術要求58～62HRC，但18CrNiMo7-6材料試塊硬度偏下限，從金相組織結果分析，硬度低主要原因是表面殘留奧氏體量多造成的，而對于20CrNi2MoA材料試塊硬度偏低主要是滲碳試塊表面含碳量較低造成的，從剝層試棒檢驗結果看出試塊表面含碳量僅為0.7%，一般滲碳后含碳量為0.75%時，淬火后得到最高的硬度，低于或高于0.75%，硬度都會降低。

（2）剝層試棒滲層含碳量結果如圖2、圖3所示。

從圖2、圖3可以得出，材料為18CrNiMo7-6剝層試棒滲層碳濃度梯度緩慢降低，但材料為20CrNi2MoA剝層試棒滲層含碳量梯度在0.3～0.7m m之間波動較大，且表層含碳量較18CrNiMo7-6低0.03%，造成這種差異的主要原因是18CrNiMo7-6鋼中富含碳化物形成元素Cr，而20CrNi2MoA鋼富含非碳化物形成元素Ni，所以在相同的碳勢下，18CrNiMo7-6材料容易形成碳化物，但總體表層碳含量基本與擴散期碳勢設定相差不大，結果比較理想。

（3）金相組織如圖4～圖9所示。圖4中18CrNiMo7-6表層金相組織為：馬氏體、殘留奧氏體4級、碳化物1級；圖5中18CrNiMo7-6心部金相組織為鐵素體3級。圖6中20CrNi2MoA表層金相組織為：馬氏體、殘留奧氏體2級、碳化物1級；圖7中20CrNi2MoA心部金相組織為鐵素體3級。圖8中20CrMnTi表層金相組織為：馬氏體、殘留奧氏體2級、碳化物1級；圖9中20CrMnTi心部金相組織為鐵素體1級。

對三種材料金相組織進行分析，采用同樣的工藝參數，材料為18CrNiMo7-6試塊金相組織馬氏體及殘留奧氏體為4級，雖然滿足標準要求，但相對其他兩種材料馬氏體組織粗大一些，主要原因：一是18CrNiMo7-6比20CrNi2MoA含Cr量高，Cr等元素溶入奧氏體中，增加了奧氏體的穩定性，使淬火后殘留奧氏體增多；二是滲層含C量過高，使溶入奧氏體的碳量增加，造成淬火后殘留奧氏體增多；三是滲碳用鋼本身晶粒度大小。解決的辦法是后續試驗中降低擴散期碳勢，達到降低馬氏體及殘留奧氏體級別的目的。

5. 滲碳直接淬火小批量試驗

圖2　18CrNiMo7-6剝層試棒表面到中心碳含量

圖3　20CrNi2MoA剝層試棒表面到中心碳含量

圖4　18CrNiMo7-6表層金相組織（500×）

圖5　18CrNiMo7-6心部金相組織（500×）

圖6　20CrNi2MoA表層金相組織（500×）

圖7　20CrNi2MoA心部金相組織（500×）

圖8　20CrMnTi表層金相組織（500×）

圖9　20CrMnTi心部金相組織（500×）

對材料為18CrNiMo7-6和20CrNi2MoA的工件進行小批量試驗。滲碳熱處理工藝：滲碳淬火+冷處理+一次低溫回火+二次低溫回火+拋丸處理。根據前期試驗結果，18CrNiMo7-6材料試塊金相組織馬氏體及殘留奧氏體為4級，為了得到更好的金相組織，此次試驗中對18CrNiMo7-6材料滲碳直接淬火工藝略做調整，主要是降低強滲、擴散期碳勢，其中強滲期碳勢由原來的1.1%調整至1.05%，擴散期碳勢由原來的0.75%調整至0.70%，其他工藝參數不變。20CrNi2MoA材料則執行原試塊滲碳直接淬火工藝參數。兩種材料工藝滲層均為1.9mm，調整后18CrNiMo7-6材料工藝曲線如圖10所示。

工件滲碳處理后硬度、滲層見表2，金相組織結果如圖11～圖14所示。圖11中18CrNiMo7-6表層金相組織為：馬氏體、殘留奧氏體1級、碳化物1級；圖12中18CrNiMo7-6心部金相組織為鐵素體2級。圖13中18CrNiMo7-6表層金相組織為：馬氏體、殘留奧氏體2級、碳化物1級；圖14中18CrNiMo7-6心部金相組織為鐵素體3級。

可見，采用上述工藝參數后，兩種材料硬度、滲層、金相組織均滿足技術要求，后續磨削過程中無磨削裂紋，可批量試驗。

6. 滲碳直接淬火大批量試驗

對材料為18CrNiMo7-6和 20CrNi2MoA的工件進行大批量試驗。在批量試驗中，材料為18CrNiMo7-6的工件試驗18件，采用圖10滲碳淬火工藝參數，材料為20CrNi2MoA工件22件，采用圖1滲碳淬火工藝參數，工件采用相應的滲碳工藝參數滲碳直接淬火后，硬度、滲層、金相組織均滿足技術要求，變形滿足加工工藝要求，后續磨削過程中無磨削裂紋。

圖10　18CrNiMo7-6工件滲碳直接淬火工藝曲線

7.結語

（1）得出了18CrNiMo7-6、20CrNi2MoA材料滲碳后預冷保溫淬火+冷處理+兩次低溫回火工藝，采用此工藝處理后，工件、試塊硬度滿足技術要求58～62HRC，隨爐試塊金相組織級別符合《重載齒輪滲氮金相檢驗》和公司內控的滲碳齒輪標準，在后續磨齒過程中，工件變形滿足后續加工要求，未出現磨削裂紋。

（2）與重新加熱淬火工藝相比，采用滲碳直接淬火工藝生產效率提高30%。

（3）1 8 C r N i M o 7-6、20CrNi2MoA兩種材料采用滲碳預冷保溫淬火+冷處理+二次低溫回火的工藝可行，但必須嚴格控制工件滲碳過程。

表2　工件滲碳處理后硬度、滲層結果

圖11　18CrNiMo7-6表層金相組織（500×）

圖12　18CrNiMo7-6心部金相組織（500×）

圖13　18CrNiMo7-6表層金相組織（500×）

圖14　18CrNiMo7-6心部金相組織（500×）

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