12CrNi3A鋼制螺塞滲碳淬火工藝研究

王大宏， 林昊昱，王錚，張金卓，王占鴻

1.大連長豐實業總公司 遼寧大連 116038

2.長春工業大學材料科學與工程學院 吉林長春 130000

1 序言

12CrNi3A鋼有較高的淬透性，經淬火和回火后有良好的綜合力學性能，它的低溫韌性好，缺口敏感性小，常用于制造要求表面硬度高而心部有良好綜合力學性能的滲碳件[1]。12CrNi3A鋼制螺塞為某型機前起落架轉彎功能用分流頭附件的一個重要基礎零件，與軸配合使用，在工作時承受扭轉非對稱交變載荷和一定的沖擊載荷，摩擦受力極不均勻，因此工作面需要較高的硬度，零件心部需具有較優的綜合力學性能。根據圖樣要求，螺塞需要局部滲碳并進行強化熱處理。螺塞結構如圖1所示。

圖1 螺塞結構

技術要求螺塞內K面滲碳深度h＝0.4～0.7mm，硬度≥56HRC，心部硬度32～42HRC。本文通過滲碳、淬火處理工藝試驗，驗證技術措施的有效性，探討滲碳后不同強化熱處理工藝對性能和組織的影響，并優化熱處理工藝，為指導生產實踐提供技術參考。

2 試驗材料及方法

2.1 試驗材料

試驗用12CrNi3A鋼是航空用鋼，為撫順特殊鋼股份有限公司生產的φ35mm電渣冶煉棒材。采用高頻電感耦合等離子體原子發射光譜儀檢測材料化學成分，見表1。相比GJB 1951—1994《航空用優質結構鋼棒規范》中12CrNi3A鋼的化學成分，試樣材質合格。通過金相法測試原始材料晶粒度等級為7級。

表1 12CrNi3A鋼化學成分（質量分數） （%）

2.2 試驗方法

試驗使用傳統RQ-35-9井式滲碳爐，航空煤油+甲醇在910～930℃下裂解的工藝方法進行氣體滲碳，該滲碳生產設備及工藝方法較為傳統，中淺滲碳層不易控制。考慮到隨后熱處理工序繁多，極易造成表面滲層脫碳、貧碳，從而降低螺塞的疲勞強度，影響使用的可靠性，為此，對K面采取預留內孔機加工余量至φ17.7+0.1+0.01mm，經滲碳和熱處理后再精磨至φ18+0.0180mm制造工藝路線，運用工藝尺寸鏈計算[2]，調整滲碳層深度為0.55～0.80mm。為了實現重要特性（滲碳層深度及硬度）100%可檢測，調整螺塞制造工藝，對其半成品進行滲碳和熱處理，隨后進行精加工成形，截取工藝夾頭進行滲層重要特性檢測，具體滲碳工藝見表2。

表2 滲碳工藝

試驗用螺塞半成品與拉力試樣同爐滲碳，并按 HB/Z 159—2001《航空用鋼滲碳、碳氮共滲工藝》規定[3]進行高溫回火（650℃×4h，空冷）+正火（900℃×60min，空冷）+淬火。其中淬火分別選取780～820℃，油冷；820～850℃，油冷；二次淬火（第一次850～870℃，油冷；第二次790～820℃，油冷）三種工藝方法進行試驗。螺塞半成品及隨爐力學性能試樣分別如圖2、圖3所示，本試驗強化熱處理工藝參數見表3。

表3 強化熱處理工藝參數

圖2 螺塞半成品示意

圖3 力學性能試樣

3 試驗結果與分析

3.1 滲碳層

對螺塞試樣沿軸向切剖，采用維氏硬度測定方法，沿滲碳層由表及里測定有效硬化層，從而間接確定滲碳層深度，硬化曲線如圖4所示。

圖4 硬化曲線

由圖4可見，試樣不同位置的滲碳層深度分別為0.765mm、0.770mm、0.771mm，且滲碳層深度均勻性＜0.1mm。滲碳層深度滿足0.55～0.80mm控制要求，即本試驗采用的制造工藝路線和滲碳工藝參數加工的螺塞半成品，通過后續精加工可實現K面滲碳深度h=0.4～0.7mm的圖樣技術要求。

3.2 力學性能

采用拉伸試驗機和硬度計檢測試樣的力學性能和硬度，結果見表4。

表4 試樣的力學性能和硬度

試驗結果表明，采用不同強化熱處理工藝參數的非滲碳的2#、4#、6#試樣，抗拉強度分別為1296MPa、1297MPa、1312MPa，Ⅰ組、Ⅱ組、Ⅲ組試樣，心部硬度值分別為41HRC、40.5HRC、41.5HRC。由此可判斷，3種強化熱處理工藝方法對12CrNi3A鋼基體力學性能宏觀影響不大。對于1#、3#、5#滲碳試樣，在進行拉伸試驗后，宏觀斷口均無明顯頸縮，為典型的脆性斷裂，鑒于斷口位置偏離試樣中心，接近于夾持附近，實測數據偏離較大，不做分析評價。而1#、3#、5#滲碳試樣滲碳層硬度檢測表明，采用二次淬火工藝方法所獲得的滲碳層硬度最高，達到了59HRC，而另外兩種強化熱處理工藝方法所獲得的滲碳層硬度值接近57HRC、56HRC，雖然符合圖樣技術要求，但均接近下限。從滲碳的本質意義角度來講，高的表層硬度對于抗磨損和抗疲勞都是極為重要的，在表層碳含量相近的情況下，鋼件滲碳后不同的熱處理工藝方法所形成的組織將直接影響其性能[4]。顯然，本試驗二次淬火強化工藝更能提升材料滲碳后的宏觀硬度性能。

3.3 金相組織

制備金相試樣經3%～5%硝酸酒精溶液腐蝕后，使用Axiosope5蔡司智能金相顯微鏡觀察螺塞半成品滲碳淬火后的金相組織，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ組試樣的金相組織如圖5所示。

圖5 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ組試樣的金相組織

滲碳層金相組織為細針馬氏體+少量殘留奧氏體，碳化物幾乎不可見。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ組試樣滲碳層相比，Ⅱ組試樣馬氏體組織略顯粗大。按GB/T 25744—2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》評定：Ⅱ組試樣馬氏體評級為3級，Ⅰ、Ⅲ組試樣馬氏體評級為2級；3組試樣滲碳層殘留奧氏體評級為1級，網狀碳化物為1級。3組試樣心部金相組織為板條馬氏體+條狀、塊狀鐵素體，按GB/T 25744—2010評定：心部組織為4級。由此可以表明，不同強化熱處理工藝的3組試樣金相組織全部合格。

相關資料表明，12CrNi3A鋼作為高強度滲碳鋼（抗拉強度＞1200MPa），Cr、Ni元素的加入使其奧氏體等溫轉變曲線（C曲線）右移，從而大大提高了鋼的淬透性。表層滲碳后，隨著碳含量的增加，其馬氏體轉變溫度也急劇下降，將使滲碳層在淬火后保留大量的殘留奧氏體[5]。由于本試驗采用冷處理的工藝方法，使殘留奧氏體能夠較為充分地轉變為馬氏體，故組織中殘留奧氏體量較少。同時，試樣用鋼原始晶粒度等級較高，原始晶粒細小，加之滲碳后采取了高溫回火+正火預備熱處理方式，消除了滲碳后表層碳濃度高的網狀碳化物，從而滲碳層組織中碳化物幾乎不可見。3組試驗心部組織中均有可見條狀、塊狀鐵素體組織，應是源于試樣熱容量小（件數較少），在真空淬火時由熱室向冷室轉移過程中熱量損失較大，可能導致宏觀表現為油淬冷卻能力不夠，關于這一點在后續生產中還應加以驗證，如有必要還需增加攪拌或更換真空淬火油等技術措施。

4 結束語

1）通過科學調整滲碳層余量再進行精磨加工的方式，可滿足圖樣滲碳層厚度的技術要求。

2）通過增加螺塞內孔長度預留工藝夾頭，全部完工后檢測工藝夾頭的滲碳層性能（硬度和深度），可實現關鍵零件重要特性的100%檢測。

3）對于原始晶粒度級別較高的12CrNi3A鋼，采取標準規定的三種強化熱處理工藝方法，均可實現預期技術性能指標。相比于宏觀力學性能和微觀組織而言，二次淬火的工藝方法獲得的微觀組織和宏觀性能更為優越。