馬鞍形滲碳淬火工藝研究

陳進(jìn)磊，張一坤

(太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司，山西 太原 030024)

0 引言

齒輪類產(chǎn)品滲碳淬火方式主要分為三類，即滲碳直接淬火、滲碳一次淬火和滲碳二次淬火。對(duì)大型礦用挖掘機(jī)等上的關(guān)鍵齒輪類部件來說，使用要求是耐重載、抗持久交變疲勞，其失效形式主要表現(xiàn)為齒部滲碳層剝落和點(diǎn)蝕。為實(shí)現(xiàn)良好的使用性能，我們希望其微觀組織具有較好的組織結(jié)構(gòu)。通過采用滲碳一次淬火，可以得到優(yōu)良性能的細(xì)針馬氏體和少量的殘余奧氏體；但在實(shí)踐生產(chǎn)中其升降溫階段的時(shí)間長(zhǎng)、能耗大，造成成本高，效率低下；且由于升降溫的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，會(huì)加劇零件的熱處理變形。因此如何在保證熱處理產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上，提高工作效率、降低生產(chǎn)成本，是滲碳淬火工藝需重點(diǎn)解決的問題。

1 各種滲碳淬火工藝原理介紹

滲碳材料一般選用本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，隨滲碳時(shí)間增長(zhǎng)，硬化層厚度在1.2 mm以內(nèi)基本沒有晶粒長(zhǎng)大趨勢(shì)，超過1.2 mm有長(zhǎng)大傾向，在超過2.0 mm以后過溶飽和的晶粒逐步吞噬周邊晶粒，形成明顯長(zhǎng)大趨勢(shì)；在后期淬火過程中，如果未能使已溶碳元素充分析出，使晶粒再變細(xì)化，將使馬氏體組織針長(zhǎng)過長(zhǎng)，造成微觀組織不穩(wěn)定，使得宏觀使用性能大大降低，造成疲勞點(diǎn)蝕和剝落。因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中，針對(duì)滲層較淺的產(chǎn)品可以采用滲碳直接淬火工藝，但對(duì)于重載深滲層要求的產(chǎn)品一般采用滲碳一次淬火。

2 滲碳直接淬火和滲碳一次淬火工藝試驗(yàn)

我們對(duì)上述兩種工藝進(jìn)行工藝試驗(yàn)，研究適用于不同硬化層深度的淬火方式。本公司關(guān)鍵產(chǎn)品齒輪類材料為17CrNiMo6，樣塊規(guī)格為Φ100 mm×100 mm仿齒形，預(yù)備熱處理為調(diào)質(zhì)處理，硬度為HB217～HB255,晶粒度≥6級(jí)。滲碳淬火技術(shù)要求：馬氏體及殘奧、碳化物、心部組織為1級(jí)～3級(jí)，表面硬度為HRC58～HRC62；檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為JB/T6141.3—1992和GB/T9450—2005。試驗(yàn)設(shè)備為多功能滲碳試驗(yàn)爐，介質(zhì)為德潤(rùn)寶快速淬火油。

2.1 滲碳后直接淬火工藝

我們對(duì)硬化層分別為1.5 mm、1.8 mm、2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm進(jìn)行試驗(yàn)，每種硬化層檢測(cè)3個(gè)試樣。工藝試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，典型金相照片如圖1和圖2所示。

表1 滲碳后直接淬火工藝試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)硬化層≤2.0 mm時(shí)，晶粒未明顯長(zhǎng)大，直接淬火后金相組織等均滿足技術(shù)要求；當(dāng)硬化層>2.0 mm時(shí)，晶粒長(zhǎng)大趨勢(shì)明顯，直接淬火后馬氏體針粗大，出現(xiàn)級(jí)別超差。

2.2 滲碳后一次淬火工藝

結(jié)合滲碳后直接淬火工藝試驗(yàn)結(jié)果，我們對(duì)滲碳層2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm進(jìn)行了滲碳后一次淬火工藝試驗(yàn)，每種硬化層檢測(cè)3個(gè)試樣。工藝試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，典型金相照片如圖3、圖4所示。

工藝試驗(yàn)結(jié)果表明：滲碳后降至室溫重新升溫至淬火溫度的過程，碳元素從鐵元素的晶格中析出，形成彌散碳化物，從而淬火時(shí)形成的奧氏體中碳含量降低，過冷奧氏體穩(wěn)定性降低，從而使其轉(zhuǎn)變馬氏體更加充分；并且彌散形成的碳化物在淬火過程中起到釘扎阻礙馬氏體長(zhǎng)大的作用，馬氏體針長(zhǎng)趨于細(xì)??；重新升溫到達(dá)820 ℃組織奧氏體化，晶粒重新形成，彌散的碳化物促使奧氏體晶粒的異晶形成，故淬火馬氏體針細(xì)小且殘余奧氏體含量少。

圖1 硬化層≤2.0 mm馬氏體及殘奧金相照片(500×) 圖2 硬化層>2.0 mm馬氏體及殘奧金相照片(500×)

表2 滲碳后一次淬火工藝試驗(yàn)結(jié)果

圖3 滲碳后一次淬火馬氏體及殘余奧氏體金相照片(500×) 圖4 滲碳后一次淬火心部組織金相照片(500×)

3 馬鞍形滲碳淬火工藝

3.1 馬鞍形滲碳淬火工藝原理

滲碳后一次淬火細(xì)化晶粒主要有兩個(gè)原因：一是在升降溫過程600 ℃～700 ℃時(shí)碳化物由晶格中析出和溶融，形成彌散性碳化物，可阻礙淬火時(shí)馬氏體針的長(zhǎng)大，且碳化物析出后可降低淬火后殘余奧氏體含量；二是晶粒由珠光體的平衡組織重新形核奧氏體化形成細(xì)密的奧氏體組織，經(jīng)淬火后得到優(yōu)良性能的細(xì)針馬氏體。我們從該理論基礎(chǔ)上提出了一種工藝改進(jìn)方法，即滲碳后降溫至600 ℃～700 ℃，使?jié)B碳后奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w且使細(xì)小碳化物析出晶格，在達(dá)到細(xì)化組織的同時(shí)不降至室溫出爐，只由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w和滲碳體時(shí)繼而升溫淬火的滲碳淬火工藝。該工藝前部分為高溫滲碳，后部分為高溫淬火，中間為低溫段，如同馬鞍形，故名馬鞍形滲碳淬火工藝。

3.2 馬鞍形滲碳淬火工藝試驗(yàn)

馬鞍形工藝可分為兩種類型：①滲碳后降溫至600 ℃～650 ℃后升溫至820 ℃左右保溫淬火；②滲碳后降溫至650 ℃～680 ℃進(jìn)行保溫球化，根據(jù)球化經(jīng)驗(yàn)，一般為4 h左右。我們分別對(duì)兩種類型進(jìn)行工藝試驗(yàn)，并與一次淬火工藝做對(duì)比。兩種工藝形式均進(jìn)行7爐次試驗(yàn)，本公司關(guān)鍵齒輪類產(chǎn)品的硬化層以3.5 mm居多，故馬鞍形工藝試驗(yàn)以硬化層3.5 mm為基準(zhǔn)。

3.2.1 滲碳后無球化淬火

將試樣分7爐次進(jìn)行滲碳，隨爐冷卻至660 ℃不保溫升至淬火溫度保溫后淬火，工藝曲線如圖5所示。圖5中，Cp為碳濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))?；鼗鸷髾z測(cè)表面硬度和金相組織，如表3和圖6、圖7所示。

圖5 滲碳后無球化工藝曲線

表3 滲碳后無球化工藝試驗(yàn)結(jié)果

圖6 滲碳后無球化淬火馬氏體及殘余奧氏體金相照片(500×) 圖7 滲碳后無球化淬火心部組織金相照片(500×)

3.2.2 滲碳后有球化淬火

將試樣分7爐次進(jìn)行滲碳，冷卻到660 ℃時(shí)保溫4 h后升溫至820 ℃保溫后淬火，淬火后進(jìn)行回火，工藝曲線如圖8所示?；鼗鸷髾z測(cè)表面硬度和金相組織，如表4和圖9、圖10所示。

圖8 馬鞍型有球化工藝曲線

表4 馬鞍型有球化工藝試驗(yàn)結(jié)果

圖9 馬鞍型有球化工藝馬氏體及殘余奧氏體金相照片(500×)圖10 馬鞍型有球化工藝心部組織金相照片(500×)

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)論及理論分析

滲碳后降溫至660 ℃進(jìn)行保溫球化后組織滿足1級(jí)～3級(jí)，該工藝對(duì)比滲碳一次淬火工藝，滲碳一次淬火組織偏優(yōu)；而滲碳后降溫至660 ℃不保溫球化升溫淬火工藝的硬度指標(biāo)、心部組織和碳化物均滿足工藝要求，馬氏體及殘奧不符合要求。

分析原因如下：

(1) 滲碳后降溫?zé)o球化重新升溫至820 ℃重新奧氏體，該工藝雖然使晶粒重新形核長(zhǎng)大，但奧氏體化保溫時(shí)間內(nèi)晶粒繼續(xù)長(zhǎng)大，且由于晶粒內(nèi)碳未析出，碳含量偏高，造成淬火馬氏體針偏大且殘余奧氏體含量較高，難以滿足技術(shù)要求1級(jí)～3級(jí)。

(2) 滲碳后降溫至660 ℃進(jìn)行球化工藝，球化過

程碳元素從鐵元素的晶格中析出，形成彌散碳化物，從而淬火時(shí)形成的奧氏體中碳含量降低，過冷奧氏體穩(wěn)定性降低，從而使其轉(zhuǎn)變馬氏體更加充分；并且彌散形成的碳化物在淬火過程中起到釘扎阻礙馬氏體長(zhǎng)大的作用，馬氏體針長(zhǎng)趨于細(xì)小；從而改善馬氏體與殘余奧氏體；重新升溫到達(dá)820 ℃組織奧氏體化，晶粒重新形成，彌散的碳化物促使奧氏體晶粒的異晶形成，奧氏體化高溫下保溫時(shí)間短，晶粒長(zhǎng)大不明顯，淬火形成馬氏體針較小較細(xì)且殘余奧氏體含量少。

(3) 滲碳一次淬火工藝是降至室溫重新升溫，在此過程中球化組織轉(zhuǎn)變更為充分，后續(xù)淬火升溫時(shí)的奧氏體形核點(diǎn)更多且對(duì)馬氏體長(zhǎng)大的扎阻效果更有效，因此較馬鞍形工藝來講，滲碳后一次淬火組織偏優(yōu)。

3.2.4 馬鞍形滲碳淬火工藝經(jīng)濟(jì)效益

馬鞍形滲碳淬火工藝在節(jié)能減排等方面取得良好的效果，以裝料尺寸為Φ2 m×3 m井式滲碳爐為例，功率為560 kW，該爐滲碳出爐溫度為550 ℃，自660 ℃降溫至550 ℃約15 h，該階段不加熱，通氮?dú)饬髁繛? m3/h；重新升溫淬火時(shí)升至660 ℃約5 h，該階段功率升溫，通氮?dú)饬髁繛? m3/h；馬鞍型工藝每爐次降低氮?dú)庥昧繛?20 m3，節(jié)約電能為2 800度/爐；同時(shí)馬鞍型工藝與一次淬火相比較，生產(chǎn)時(shí)間中滲碳爐升降溫時(shí)間縮短了約20 h，每爐次節(jié)約時(shí)間共計(jì)約34 h。

4 結(jié)論

(1) 對(duì)于≤2.0 mm的硬化層，由于滲碳時(shí)間短，本質(zhì)細(xì)晶粒鋼沒有明顯長(zhǎng)大，建議采用直接淬火工藝，在保證產(chǎn)品使用要求的前提下，提高效率，減少能耗。

(2) 對(duì)于>2.0 mm的硬化層，馬氏體及殘奧和心部的金相組織要求更為嚴(yán)格的，根據(jù)具體的技術(shù)要求，建議采用滲碳后一次淬火。

(3) 對(duì)于>2.0 mm的硬化層，由于滲碳時(shí)間增加，本質(zhì)細(xì)晶粒鋼長(zhǎng)大趨勢(shì)增大，建議采用馬鞍形滲碳淬火工藝，減少降溫升溫時(shí)間，可以有效改善滲碳后的粗大奧氏體，在保證產(chǎn)品使用要求的前提下，提高效率，減少能耗，有效控制變形。