20CrMnMo鋼深層滲碳工藝的探究*

張誠，楊杰，康冬偉

(寧夏天地西北煤機有限公司，寧夏 石嘴山 753000)

0 引言

逆止器是大型帶式輸送機制動系統的關鍵部件之一，其內外圈表面硬度、耐磨性和承載能力是決定產品質量的關鍵因素。由于內、外圈有效厚度較大，綜合性能要求較高，大型逆止器直徑高達2 m多，工件有效厚度≥120 mm，用普通熱處理方法進行處理時，金相組織、硬度、變形量始終達不到技術要求，臺階處應力比較集中，容易產生裂紋。

深層滲碳可以有效改善上述現象，滿足設計要求。所謂深層滲碳是指滲層深度大于3.5 mm以上的滲碳，它可以極大地改善鋼的力學性能，特別是疲勞強度和耐磨性有明顯提高[1]。深層滲碳與普通滲碳相比，深層滲碳技術難度要大的多。由于深層滲碳工藝周期達幾十甚至上百小時，故對滲碳設備和工藝提出了相當苛刻的要求。深層滲碳須具備穩定的滲碳爐系統，合理的深層滲碳工藝體系，以及有效的變形控制和開裂預防措施。

本文通過不斷試驗探究，形成了一套完整的深層滲碳質量控制體系，通過工業性試驗驗證，已成功地應用到NJ09、NJ25等逆止器上。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

選用優質滲碳鋼20CrMnMo，逆止器內圈尺寸為φ230 mm×290 mm～φ370 mm×290 mm，外圈尺寸為φ460 mm×170 mm～φ600 mm×170 mm。隨爐試塊φ110mm×110mm兩塊，用于性能檢測。

20CrMnMo屬于優質滲碳鋼，具有較高淬透性，韌脆轉變溫度低，其化學成分如表1所示。

1.2 試驗方法

采用NL03-501型多用爐進行滲碳處理，通過工控機控制碳勢、溫度、保溫時間等參數，滲碳載氣為丙酮+甲醇。采用MM6金相顯微鏡觀察金相組織，用HV-1000Z自動轉塔顯微硬度計測定顯微硬度。

表1 試驗用鋼的化學成分 %

1.3 逆止器內外圈對滲碳層質量的要求

滲碳淬火后表面及心部硬度要求：表面58～63HRC，心部 ：33～48HRC，有效硬化層在4 mm以上。滲層組織達到技術要求(按GB/T 28694—2012執行)：碳化物級別達1～3級，馬氏體和殘余奧氏體達1～4級，心部鐵素體的級別達1～4級。

2 試驗結果與分析

2.1 滲碳溫度的選擇

滲碳溫度是決定滲碳速度的主要因素，當滲碳層要求一定時，提高滲碳溫度，可使滲碳時間縮短,表面碳濃度增大，滲層深度加厚，但高溫滲碳對深層滲碳來說不宜采用。逆止器內外圈長時間停留在較高溫度，會使晶粒粗化，變形畸變較大。有資料顯示，一般情況下，含Mo的鋼阻礙晶粒長大的能力比不含Mo的鋼強，一般在960 ℃甚至1 000 ℃以上才出現晶粒粗大現象，但20CrMnMo滲碳時表面易形成網狀碳化物，且長時間高溫熱處理將縮短設備的使用壽命[2]。綜合考慮，滲碳溫度選擇920 ℃。

2.2 爐內碳勢的控制

爐內碳勢增加，使得氣氛碳濃度與工件間碳濃度差增大，有利于提高滲碳速度，在較短時間內獲得深的滲層。但爐內碳勢增加太多,會導致鋼表面的活性碳原子來不及吸收，在工件表面沉積，形成大量碳黑，阻礙活性碳原子的進一步滲入，從而降低了滲碳速度。因此，為保證滲層質量，應選擇適當碳濃度控制(見滲碳工藝)。

2.3 工藝路線設計

1)常規深層滲碳工藝路線為滲碳→球化退火→二次淬火→回火，如圖1所示。

2) 擴散滲碳工藝路線為滲碳→淬火→回火，如圖2所示。

在深層滲碳中增加梯度碳濃度強滲和擴散過程，可有效地降低零件表面的碳濃度，使滲層表面的碳濃度適當降低，使奧氏體中碳原子的濃度也隨之降低，防止碳濃度超過規定的臨界值。與普通深層滲碳工藝相比，920°進行梯度碳濃度分段強滲，碳化物不會急劇增長，然后進行分段梯度碳濃度擴散，零件表面的碳濃度可以得到有效的控制，碳化物溶解的驅動力也能夠得到保證。如此一來，零件的碳濃度能夠有效擴散，滲碳層又不會出現大的網狀和塊狀碳化物，滲層質量較好。

(a)

(b)

(c)

2.4 金相檢驗

滲層為3.5 mm的試塊金相組織，如圖3所示。圖3中的4種圖譜為滲層到心部的金相組織圖譜，其中滲層部分為高碳的針狀馬氏體和少量碳化物，心部組織為低碳板條馬氏體。

滲層為4.5 mm的試塊金相組織如圖4所示。圖4中4種圖譜為滲層到心部的金相組織圖譜，其中滲層部分為高碳的針狀馬氏體和少量碳化物，心部組織為低碳板條馬氏體，由于滲碳時間相對較長，心部組織明顯較滲層3.5 mm的試塊粗大。

2.5 滲層硬度分布

φ110 mm×110 mm試塊顯微硬度對比曲線如圖5所示。滲層為3.5 mm時，滲層硬度最高為671.6HV0.2，心部硬度為412.1HV0.2；滲層為4.5 mm時，滲層硬度最高為817.5HV0.2，心部硬度為432HV0.2。

圖2 擴散滲碳工藝圖

(a)滲層組織(×100)

(b)心部組織(×500)

(c)滲層組織(×500)

(d)心部組織(×500)

(a)滲層組織(×100)

(b)心部組織(×500)

(c)滲層組織(×500)

(d)心部組織(×500)

圖5 φ110 mm×110 mm試塊顯微硬度曲線

2.6 滲碳變形量

表2為逆止器內、外圈滲碳變形量。由表2可知，當內徑尺寸小于300 mm時，按圖紙尺寸的0.7%留余量；當內徑尺寸為300～500 mm時，按圖紙尺寸的0.5%留余量；內徑尺寸大于500 mm時，按圖紙尺寸的0.35%留余量， 外徑按圖紙尺寸的0.08%～0.15%留余量。

表2 逆止器內、外圈滲碳變形量 mm

3 結論

1)針對20CrMnMo大型零件深層的滲碳，梯度碳濃度深層滲碳技術工藝布局合理，工藝安全性高。

2)梯度碳濃度深層滲碳工藝比普通兩段式滲碳，縮短整個熱處理時間，由原來的95 h縮短至68.5 h，工序減少，更能有效地改善碳化物的分布形態。

3)梯度碳濃度深層滲碳工藝滿足，逆止器內外圈滲碳要求，且滲碳變形量小，質量更穩定。

4)梯度碳濃度深層滲碳工藝較為復雜，碳勢的精確控制也較困難，因此表面的碳含量和滲層深度都可能存在差異，有待于進一步研究。