合金結構鋼在RX氣為保護氣氛中加熱的吸氫研究

于國超，賈 磊，鄔俊祥，熊 偉，賈冬生，李建國，王 成，李曉艷，劉 哲

(1.內蒙古一機集團瑞特精密工模具有限公司，內蒙古 包頭 014030；2.陸軍裝備部駐包頭地區第一軍事代表室，內蒙古 包頭 014030；3.內蒙古一機集團股份有限公司，內蒙古 包頭 014030)

為解決以20Cr2Ni4A和38CrSi為代表的合金結構鋼在熱處理過程中氧化脫碳問題，內蒙古一機集團瑞特精密工模具有限公司新建一條可控氣氛多用爐生產線，該生產線采用RX氣為保護氣氛，RX氣成分如下：38.7%～40.4%的H2，38.8%～40.1%的N2和19.5%～20.4%的CO。由于這種成分含有較多氫，并在熱處理時容易滲入鋼中，且已知高強鋼不宜在含氫保護氣氛下進行保護加熱的研究結論[1-3]，為驗證本公司常用合金結構鋼在RX氣為保護氣氛下淬火加熱的吸氫情況和以RX氣為載氣、凈化天然氣為富化氣的滲碳淬火工藝過程吸氫情況，本公司聯合一機集團工藝研究所和北京鋼鐵研究總院做了相關工藝試驗，以確保公司常用合金結構鋼熱處理后不會出現氫脆危險，同時為制造企業引用RX氣作為保護氣氛提供借鑒。

1 試驗用料和試驗方法

試驗用料選用20Cr2Ni4A和38CrSi等2種合金結構鋼，試棒規格為φ50 mm×100 mm，分別對20Cr2Ni4A和38CrSi這2種合金鋼試棒熱處理前(毛坯)、淬火和淬火加回火后的3種狀態進行吸氫檢測，并對20Cr2Ni4A試棒熱處理前(毛坯)、滲碳、滲碳+高溫回火、滲碳+高溫回火+淬火、滲碳+高溫回火+淬火+低溫回火的5種狀態進行吸氫檢測，2種材料的3種熱處理工藝過程見表1～表3。

表1 20Cr2Ni4A試棒熱處理工藝過程

表2 38CrSi試棒熱處理工藝過程

表3 20Cr2Ni4A試棒熱處理工藝過程

檢測時分別在試樣邊緣位置線切掏取并精磨加工測氫試樣(φ5圓棒)，利用HTDS-002型試驗機檢測試樣氫含量值，試驗精度為0.01 ppm，在10-9真空度下，由室溫加熱至800 ℃，加熱速率為100 ℃/h，到溫后自然降溫至室溫，在加熱過程中通過四級質譜檢測氫的逸出速率，試驗后稱重試樣，由設備自帶計算軟件得到試樣中的氫含量及氫的逸出速率曲線。

2 檢測結果與分析

2.1 材料20Cr2Ni4A淬火工藝吸氫檢測

圍繞材料20Cr2Ni4A的不同狀態進行吸氫檢測，檢測結果見表4，淬火過程增加了材料的氫含量(0.05 ppm)，氫逸出速率曲線中(見圖1)，淬火過程后在300～500 ℃溫度范圍內出現了小波峰(見圖1b)，但是通過回火后，材料內部的氫含量降低，小波峰消失，淬火+高溫回火后材料的氫含量為0.083 ppm，和毛坯氫含量基本相同。

a) 毛坯

表4 材料20Cr2Ni4A不同狀態下的吸氫檢測結果

2.2 材料38CrSi淬火工藝吸氫檢測

圍繞材料38CrSi的不同狀態進行吸氫檢測，檢測結果見表5，淬火過程增加了材料的氫含量(0.08 ppm)，氫逸出速率曲線中(見圖2)，淬火過程后在300～450 ℃溫度范圍內出現了小波峰(見圖2b)，但是通過高溫回火后，材料內部的氫含量降低，小波峰消失，淬火+高溫回火后材料的氫含量為0.072 ppm，比毛坯氫含量低了0.002 ppm。

表5 材料38CrSi不同狀態下的吸氫檢測結果

a) 毛坯

2.3 材料20Cr2Ni4A滲碳淬火工藝吸氫檢測

圍繞材料20Cr2Ni4A的不同狀態進行吸氫檢測，檢測結果見表6。滲碳、淬火過程增加了材料20Cr2Ni4A的氫含量，氫逸出速率曲線中(見圖3)，滲碳和淬火過程發生后在300～500 ℃溫度范圍內出現了小波峰(見圖3b和圖3d)，高溫回火后滲碳過程增加的氫全部釋放掉，小波峰消失，降低了材料中的氫含量，此時氫含量低于毛坯的氫含量。通過圖3d和圖3e對比分析可知，低溫回火對材料20Cr2Ni4A內部的氫含量影響不大，熱處理后得到的氫含量比毛坯高0.042 ppm。

表6 材料20Cr2Ni4A不同狀態下的吸氫檢測結果

a) 鍛造毛坯

2.4 20Cr2Ni4A材料的力學性能檢測

為了驗證RX氣為保護氣氛和無保護氣氛下熱處理后材料的力學性能差別，以材料20Cr2Ni4A為研究對象，分別在新舊設備進行淬火+回火處理，淬火的溫度為910 ℃，回火溫度為510 ℃，熱處理后測試材料表面的硬度值和材料的力學性能，測試結果見表7。

表7 材料20Cr2Ni4A在新舊設備熱處理后力學性能測試

由檢測結果可知，新舊設備熱處理后硬度值相同，均為285 HBW (d=3.6)，采用新設備熱處理后材料的強度較舊設備熱處理后材料的強度高，平均值高出55 MPa，延伸率和沖擊韌性較舊設備處理后的材料有所降低，沖擊功平均值僅降低2 J(注：舊線沖擊功有個異常值為34 J，出現異常可能與試件加工缺陷、組織缺陷等因素有關，因此計算平均值和波動值時不含該異常值)，并且新設備熱處理后材料的沖擊性能分布較舊設備分布均勻，這可能和新設備爐膛內部溫度均勻性好有關系。

3 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)38CrSi鋼、20Cr2Ni4A鋼在以RX氣為保護氣氛下淬火加熱時存在吸氫現象，但通過回火工序能夠有效脫氫，基本維持毛坯含氫水平，不會導致氫脆現象。

2)20Cr2Ni4A鋼以RX氣為載氣、凈化天然氣為富化氣滲碳時存在吸氫現象，經高溫回火后能夠有效去除，經淬火后又有一部分氫滲入，這部分增氫無法通過低溫回火去除，但考慮滲碳產品服役條件主要對耐磨性要求較高，經查閱資料可知材料吸氫對耐磨性影響不大。

3)通過對比RX氣為保護氣氛和無保護氣氛下熱處理后材料的力學性能差別，同等工藝條件下，新線熱處理產品性能略優于舊線熱處理產品。

4)RX氣作為保護氣氛可以對合金結構鋼進行常規熱處理，制造企業在選擇熱處理工藝方案時可適當參考。