三種常用滲碳鋼混裝滲碳工藝試驗

張藝，米佩

寧夏天地奔牛實業(yè)集團(tuán)有限公司 寧夏石嘴山 753001

1 序言

重載齒輪是指傳遞功率大、承載大、低速及受沖擊載荷大的齒輪，技術(shù)要求其具有優(yōu)良的耐磨性能、較高的接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度，同時具有較高的抗沖擊和承載能力，因此需要對其進(jìn)行強(qiáng)化熱處理[1]，滲碳淬火工藝是硬齒面齒輪強(qiáng)化的主要工藝之一[2]，通過對齒輪進(jìn)行滲碳淬火處理，可以提高齒輪的綜合力學(xué)性能及使用壽命。礦用減速器齒輪在材料的選擇上，主要有20CrMnTi鋼、20CrNi2MoA鋼和18CrNiMo7-6鋼。為適應(yīng)單件、小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)，從而提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，本文對18CrNiMo7-6鋼、20CrNi2MoA鋼和20CrMnTi鋼共3種材料的混裝滲碳工藝進(jìn)行了試驗，通過對3種材料采用相同的滲碳工藝參數(shù)所獲得的碳濃度梯度、硬度、滲層深度及金相組織進(jìn)行研究，篩選出同時滿足3種材料技術(shù)要求的滲碳淬火工藝。

2 試驗材料及方法

2.1 試驗材料及試樣

用齒輪毛坯粗車件來代替滲碳齒輪件，隨爐裝入材料為18CrNiMo7-6鋼、20CrNi2MoA鋼和20CrMnTi鋼剝層試塊、滲碳試塊各1件，剝層試塊尺寸規(guī)格為φ50m m×170m m，主要用于表面到中心碳含量的分析，滲碳試塊尺寸規(guī)格為φ40mm×10mm，主要用于滲碳滲層深度、金相組織、硬度的檢測。3種試驗材料的化學(xué)成分見表1。

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

2.2 滲碳技術(shù)要求

工藝滲碳層深度1.4～1.8 m m，硬度5 8～62HRC，滲層金相組織符合JB/T 6141.3—1992《重載齒輪滲碳金相檢驗方法》要求。

2.3 試驗方案

滲碳設(shè)備采用易普森箱式多用爐，滲碳?xì)夥諡楸椋諝獾某墲B碳?xì)夥?，易普森箱式多用爐具有碳擴(kuò)散曲線的自適應(yīng)功能，能夠根據(jù)工藝設(shè)定滲層深度、碳勢及滲層百分比自動計算強(qiáng)滲和擴(kuò)散時間，確保滲層深度及表面碳含量。

18CrNiMo7-6鋼中富含碳化物形成元素Cr，在碳勢較高的情況下，表面容易形成角狀或網(wǎng)狀碳化物，嚴(yán)重縮短零件的使用壽命[3]，20CrNi2MoA鋼中富含非碳化物形成元素Ni，表面不容易形成網(wǎng)狀碳化物，考慮3種材料在滲碳過程中吸碳能力不同，試驗中共設(shè)計了兩種方案，具體試驗參數(shù)見表2，工藝中設(shè)定滲層深度為1.7mm，心部碳含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）設(shè)定為0.4%。

表2 滲碳試驗參數(shù)

試塊硬度采用TH301洛氏硬度計檢測，金相組織采用光學(xué)顯微鏡DM13000M，按GB/T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗方法》規(guī)定檢測顯微組織。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 結(jié)果與分析

（1）碳濃度梯度結(jié)果 采用方案一滲碳處理后，3種材料碳濃度梯度結(jié)果如圖1所示；采用方案二滲碳處理后，3種材料碳濃度梯度結(jié)果如圖2所示。

圖1 方案一碳濃度梯度

圖2 方案二碳濃度梯度

（2）碳濃度梯度分析 從圖1、圖2可知，3 種材料采用同一滲碳工藝進(jìn)行滲碳淬火后，18CrNiMo7-6鋼表面碳含量最高，20CrMnTi鋼次之，20CrNi2MoA鋼最低。對材料合金元素進(jìn)行分析，其中Cr、Mo為碳化物形成元素，Ni為非碳化物形成元素。碳化物形成元素可以在滲碳時增加表面碳濃度，使碳濃度梯度變陡，非碳化物形成元素則可減少表面碳濃度，使碳濃度變得平緩。其中，18CrNiMo7-6鋼中碳化物形成元素與非碳化物形成元素相互配合，可使?jié)B碳鋼有較好的滲碳能力，且18CrNiMo7-6鋼在3種材料中含Cr、Mo元素最高，因此表面吸碳能力最強(qiáng)。20CrMnTi鋼雖未含Mo元素，但相對而言，因為Cr含量高于20CrNi2MoA鋼，所以表面吸碳能力高于20CrNi2MoA鋼。

3.2 滲層、金相組織、硬度結(jié)果與分析

（1）滲層深度、金相組織、硬度結(jié)果 采用方案一滲碳處理后，3種材料試塊滲層深度、金相組織、硬度結(jié)果見表3。采用方案二滲碳處理后，3種材料試塊滲層深度、金相組織、硬度結(jié)果見表4。

表3 方案一試塊滲層深度、金相組織、硬度結(jié)果

表4 方案二試塊滲層、金相、硬度結(jié)果

（2）滲層、金相組織、硬度結(jié)果分析 從表3、圖1結(jié)果分析得出，采用方案一工藝參數(shù)進(jìn)行滲碳淬火后，因18CrNiMo7-6鋼表面碳含量太高，淬火后試塊硬度低于技術(shù)要求，且表面存在大量殘留奧氏體，金相組織不合格。主要原因：一是18CrNiMo7-6鋼Cr含量高，Cr元素等溶入奧氏體中，增加了奧氏體的穩(wěn)定性，使淬火后殘留奧氏體增多；二是滲層C含量過高，使溶入奧氏體的碳量增加，造成淬火后殘留奧氏體增多。因此，在3種材料混裝時，采用方案一工藝參數(shù)不可行。

從表4、圖2結(jié)果分析得出，采用方案二工藝參數(shù)進(jìn)行滲碳淬火后，3種材料的滲層深度、硬度和金相組織均符合技術(shù)要求。

4 結(jié)束語

1）18CrNiMo7-6鋼、20CrNi2Mo A鋼和20CrMnTi鋼采用同爐滲碳淬火后，18CrNiMo7-6鋼滲碳層碳含量最高，20CrMn Ti 鋼次之，20CrNi2MoA鋼最低。

2）18CrNiMo7-6鋼、20CrNi2Mo A鋼和20CrMnTi鋼同爐采用工藝強(qiáng)滲期碳勢為1.1%、擴(kuò)散期碳勢為0.75%、淬火保溫期碳勢為0.75%參數(shù)處理后，滲層深度、硬度、金相組織均符合技術(shù)要求，因此3種材料零件齒輪實物可據(jù)此合爐生產(chǎn)。