滲碳淬火畸變的過程特性試驗研究

王全振，岳 猛，張忠和，王飛宇，張忠信，趙明旭，于 晃

(1.沈陽鼓風(fēng)機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869； 2.沈陽創(chuàng)推科技有限公司，遼寧 沈陽 110141； 3.沈陽中金模具鋼有限公司，遼寧 沈陽 110141)

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

對17CrNiMo6、18CrNiMo7-6、12Cr2Ni4滲碳鋼進行滲碳淬火畸變的過程特性試驗研究，三種試驗鋼的化學(xué)成分見表1。17CrNiMo6鋼符合德國標(biāo)準(zhǔn)“DIN 17210—1986表面硬化鋼交貨技術(shù)條件”，18CrNiMo7-6鋼符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)“EN 10084—2008 滲碳鋼交貨技術(shù)條件”，12Cr2Ni4鋼符合國標(biāo)“GB/T 3077—1999合金結(jié)構(gòu)鋼”的規(guī)定，試驗材料均為精煉的鍛鋼，自由鍛造成型。

表1 試驗材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 試驗方法

采用國際上通用的C形畸變試樣(見圖1)進行滲碳淬火畸變的過程特性試驗，在鍛件毛坯上的取樣方法，見圖2所示。C形畸變試樣的編號采用二位數(shù)，第一位數(shù)代表材料(同表1中的編號一致)，第二位代表各種材料C形畸變試樣的序號。

圖1 畸變試樣Fig.1 The deformation samples

圖2 試樣切取圖Fig.2 The cutting schematic diagram of samples

滲碳淬火畸變的過程特性試驗一共進行了兩爐。第一爐選用了三種材料，進行不同預(yù)備熱處理方法及不同二次淬火溫度的試驗，熱處理工藝見表2；第二爐選用了兩種材料，其中，17CrNiMo6鋼采用相同的預(yù)備熱處理方法，而18CrNiMo7-6鋼采用不同的預(yù)備熱處理方法，進行滲碳后一次淬火、二次淬火的工藝對比試驗，熱處理工藝見表3。

畸變試樣的尺寸測量及畸變量的計算方法是：采用卡尺進行測量，測量方法見圖3，工藝試驗前先對C形試樣的開口處尺寸進行測量作為原始尺寸，滲碳、一次淬火后再次測量開口處尺寸作為該道工序后的尺寸，二次淬火后最終測量開口處尺寸作為二次淬火工序后的尺寸，即全部滲碳淬火工序的最終尺寸；每次測量開口尺寸，進行三次測量，然后取三次測量的平均值。滲碳、一次淬火、二次淬火工藝前后的尺寸之差就是該工序的畸變量，最終尺寸與原始尺寸之差為總畸變量。裝爐時試樣放置位置要比較接近，裝爐高度要保持一致，從而保證滲碳的氣氛環(huán)境和淬火的冷卻條件均勻一致。試驗研究過程參考了文獻[1-4]的研究成果。

圖3 尺寸測量示意圖Fig.3 The dimension measurement diagram

2 試驗過程及數(shù)據(jù)

2.1 第一爐試驗

對調(diào)質(zhì)、正回火預(yù)備熱處理的17CrNiMo6、18CrNiMo7-6、12Cr2Ni4滲碳鋼進行同爐滲碳淬火畸變的過程特性試驗。調(diào)質(zhì)預(yù)處理試樣的二次淬火溫度為820 ℃；正回火預(yù)處理試樣的二次淬火溫度為780 ℃。每道工序前后的尺寸差為該道工序的畸變量，全部工序完成后的尺寸同原始尺寸之差為總的畸變量。試驗后的畸變量結(jié)果，見表2。

2.2 第二爐試驗

對17CrNiMo6、18CrNiMo7-6試樣進行同爐滲碳淬火畸變的過程特性試驗，淬火溫度采用820 ℃，17CrNiMo6鋼的預(yù)處理均為正回火；18CrNiMo7-6鋼的預(yù)處理分別為調(diào)質(zhì)和正回火。試驗后的畸變量結(jié)果，見表3。

表2 第一爐試驗的滲碳淬火工藝及變形量

表3 第二爐試驗的滲碳淬火工藝及變形量

3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 第一爐的數(shù)據(jù)分析

從表2可以看出，三種滲碳淬火鋼采用不同預(yù)備熱處理方法和不同滲碳淬火工藝，工藝過程的畸變量都是各道工序畸變量的疊加，即滲碳淬火的畸變具有過程函數(shù)的特性。

二次淬火采用820 ℃加熱溫度的畸變量比780 ℃加熱溫度下的畸變量大，符合淬火溫度高畸變量大的規(guī)律。文獻[5]認(rèn)為正回火預(yù)處理試樣的畸變量比調(diào)質(zhì)預(yù)處理試樣的畸變量一般要大20%以上，而表2中采用調(diào)質(zhì)預(yù)處理試樣的畸變量比正回火預(yù)處理的要大。表中還發(fā)現(xiàn)，820 ℃淬火的畸變量比780 ℃淬火的畸變量大的并不多，最大不超過10%。這說明淬火溫度對畸變的影響遠(yuǎn)大于預(yù)備熱處理。

對采用油冷卻的二次淬火的畸變量數(shù)據(jù)進行比較，發(fā)現(xiàn)降低17CrNiMo6鋼的淬火溫度，其畸變量反而增加了26%，這可能是因為預(yù)備熱處理對17CrNiMo6鋼的畸變量影響較大，占主導(dǎo)作用；降低18CrNiMo7-6鋼的淬火溫度，畸變量減小了13%；而12Cr2Ni4鋼的畸變量少了45.5%， 這可能是因為提高12Cr2Ni4鋼的淬火溫度，會使畸變量大幅增加。

對滲碳、一次淬火、二次淬火各道工序的畸變量數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)各道工序的畸變量結(jié)果并沒有特別明顯的規(guī)律。對17CrNiMo6、18CrNiMo7-6兩種材料的四個試樣的畸變試驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理，發(fā)現(xiàn)滲碳工序的畸變量占總畸變量的37.6%，一次淬火占34.8%，二次淬火占27.6%。一直以來認(rèn)為畸變主要在淬火工序，這種想法確實值得商榷。

3.2 第二爐的數(shù)據(jù)分析

表3是17CrNiMo6、18CrNiMo7-6鋼的畸變量結(jié)果，二次淬火的溫度為820 ℃，分別進行滲碳+一次淬火和滲碳+二次淬火工藝(由于設(shè)備故障，滲碳工藝?yán)鋮s時，冷到800℃以后是斷電爐冷的)。

從表3的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，17CrNiMo6鋼二次淬火的畸變量比一次淬火的畸變量增大了23.6%，而18CrNiMo7-6鋼一次淬火的畸變量比二次淬火的畸變量降低了48.9%，這可能是預(yù)備熱處理和淬火方式疊加影響的結(jié)果。

比較18CrNiMo7-6鋼不同預(yù)處理方法對畸變量影響，發(fā)現(xiàn)該鋼一次淬火的畸變量比二次淬火降低了48.9%；而17CrNiMo6鋼由于預(yù)處理工藝相同，一次淬火的畸變量比二次淬火僅降低了19.1%。 兩種材料畸變量有較大差異，這主要是因為18CrNiMo7-6鋼的畸變量是預(yù)處理和淬火方式疊加的結(jié)果。因此，預(yù)備熱處理方式和淬火方式的疊加，對畸變量的影響效果更為顯著。

從表3的結(jié)果看，二次淬火工序的畸變量占的比例相當(dāng)大，特別是滲碳后一次淬火，淬火工序的畸變量占的比例更大，這可能是設(shè)備故障的問題。另外，需要強調(diào)的是滲碳工藝的畸變量雖小，但與第一爐結(jié)果相比，總的畸變量并沒有減小。

4 結(jié)論

1)滲碳淬火畸變的過程特性符合過程函數(shù)的特性，工藝過程的總畸變量是各道工序畸變量的累加，減少滲碳淬火工序可以大幅降低畸變量。結(jié)合預(yù)備熱處理方法，其降低畸變量的效果更好；

2)降低淬火溫度可以降低畸變量，而且淬火溫度對畸變的影響大于預(yù)備熱處理；對于二次淬火工序，17CrNiMo6鋼在不同的預(yù)備熱處理方法疊加時，反而出現(xiàn)了降低淬火溫度畸變量增大的現(xiàn)象，可能是因為預(yù)備熱處理的影響占主導(dǎo)地位；

3)選擇正確的熱處理工藝方法進行疊加，可以使?jié)B碳淬火畸變量的降低效果更為明顯。