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作者：米佩，陈增谋 单位：宁夏天地奔牛实业集团有限公司 来源：《金属加工（热加工）》杂志 渗碳淬火工艺主要有两种，一种是在930℃进行规定的渗碳扩散处理后，降温至800～850℃，待炉内工件温度达到设定温度后进行淬火处理，称为渗碳直接淬火。另一种是采用重新加热淬火工艺，即齿轮渗碳后先空冷或炉冷到室温，然后再重新加热到奥氏体化温度保温后在油中淬火，采用此种工艺工件变形大，工序多，制造周期长，成本高。 直接淬火与重新加热淬火相比容易出现以下问题：工件表面硬度略低；渗层中残留奥氏体量多；表面晶粒粗大。 本文作者通过一系列的试验，通过调节18CrNiMo7-6和20CrNi2MoA两种材料渗碳时表面含碳量，从而得出了适用于18CrNiMo7-6和20CrNi2MoA两种材料渗碳直接淬火工艺。 1.试验材料 用齿轮粗车件来代替渗碳齿轮件，随炉装材料为18CrNiMo7-6和20CrNi2MoA剥层试棒各1件，材料为18CrNiMo7-6、20CrNi2MoA和20CrMnTi渗碳试块各1块，剥层试棒用于表面到中心碳含量的分析，试块用于渗碳金相组织、硬度的检验。 2.技术要求 工艺渗碳层深度1.7～2.1mm，硬度58～62HRC，金相组织级别：马氏体及残留奥氏体≤4级、碳化物≤3级、心部铁素体≤4级。 3.试验参数及方法 本次试验采用汇森多用炉，功率220kW。 （1）试块硬度、金相显微组织检测 对试块淬火、回火处理后进行硬度、金相组织，其中试块采用TH301洛氏硬度计检测硬度；用光学显微镜DM13000M，按照GB/T13298-1991《金属显微组织检验方法》规定检测显微组织。 （2）渗碳试验参数 渗碳工序工艺：渗碳淬火+冰冷处理+一次低温回火+二次低温回火+抛丸处理。渗碳淬火工艺参数如图1所示，工艺中设定渗碳层深度为1.9mm。 从表1可以得出，三种材料采用上述工艺参数处理后，渗层均为1.9mm，满足工艺技术要求1.7～2.1mm，硬度满足技术要求58～62HRC，但18CrNiMo7-6材料试块硬度偏下限，从金相组织结果分析硬度低主要原因是表面残留奥氏体量多造成，而对于20CrNi2MoA材料试块硬度偏低主要是渗碳试块表面含碳量较低造成，从剥层试棒结果看出试块表面含碳量仅为0.7%，一般渗碳后含碳量为0.75%时，淬火后得到最高的硬度，低于或高于0.75%，硬度都会降低。 （2）剥层试棒渗层含碳量结果如图2、图3所示。 从图2、图3可以得出，材料为18CrNiMo7-6剥层试棒渗层碳浓度梯度缓慢降低，但材料为20CrNi2MoA剥层试棒渗层含碳量梯度在0.3～0.7mm之间波动较大，且表层含碳量较18CrNiMo7-6低0.03%，造成这种差异的主要原因是18CrNiMo7-6钢中富含碳化物形成元素Cr，而20CrNi2MoA钢富含非碳化物形成元素Ni，所以在相同的碳势下，18CrNiMo7-6材料容易形成碳化物，但总体表层碳含量基本与扩散期碳势设定相差不大，结果比较理想。 （3）金相组织图见图4～图9所示。图4中18CrNiMo7-6表层金相组织为：马氏体、残留奥氏体4级、碳化物1级；图5中18CrNiMo7-6心部金相组织为铁素体3级。图6中20CrNi2MoA表层金相组织为：马氏体、残留奥氏体2级、碳化物1级；图7中20CrNi2MoA心部金相组织为铁素体3级。图8中20CrMnTi表层金相组织为：马氏体、残留奥氏体2级、碳化物1级；图9中20CrMnTi心部金相组织为铁素体1级。 对三种材料金相组织进行分析，采用同样的工艺参数，材料为18CrNiMo7-6试块金相组织马氏体及残留奥氏体为4级，虽然满足标准要求，但相对其他两种材料马氏体组织粗大一些，主要原因： 一是18CrNiMo7-6比20CrNi2MoA含Cr量高，Cr等元素溶入奥氏体中，增加了奥氏体的稳定性，使淬火后残留奥氏体增多； 二是渗层含C量过高，使溶入奥氏体的碳量增加，造成淬火后残余奥氏体增多； 三是渗碳用钢本身晶粒度大小。 解决的办法是后续试验中降低扩散期碳势，达到降低马氏体及残留奥氏体级别。 5.对材料为18CrNiMo7-6和20CrNi2MoA的工件进行渗碳直接淬火小批量试验 渗碳工序工艺：渗碳淬火+冰冷处理+一次低温回火+二次低温回火+抛丸处理。根据前期试验结果，18CrNiMo7-6材料试块金相组织马氏体及残留奥氏体为4级，为了得到更好的金相组织，此次试验中对18CrNiMo7-6材料渗碳直接淬火工艺略做调整，主要是降低强渗、扩散期碳势，其中强渗期碳势由原来的1.1%调整至1.05%，扩散期碳势由原来的0.75%调整至0.7%，其他工艺参数不变。20CrNi2MoA材料则执行原试块渗碳直接淬火工艺参数。两种材料工艺渗层均为1.9mm，调整后18CrNiMo7-6材料工艺曲线如图10所示。 工件渗碳处理后硬度、渗层见表2，金相组织结果如图11～图14所示。图11中18CrNiMo7-6表层金相组织为：马氏体、残留奥氏体1级、碳化物1级；图12中18CrNiMo7-6心部金相组织为铁素体2级。图13中18CrNiMo7-6表层金相组织为：马氏体、残留奥氏体2级、碳化物1级； 图14中18CrNiMo7-6心部金相组织为铁素体3级。 表2 工件渗碳处理后硬度、渗层结果
从结果来看，采用上述工艺参数后，两种材料硬度、渗层、金相组织满足技术要求，后续磨削过程中无磨削裂纹，可以批量试验。 6.对材料为18CrNiMo7-6和20CrNi2MoA的工件进行渗碳直接淬火大批量试验 在批量试验中，材料为18CrNiMo7-6的工件试验18件，采用图10渗碳淬火工艺参数，材料为20CrNi2MoA工件22件，采用图11渗碳淬火工艺参数，工件采用相应的渗碳工艺参数渗碳直接淬火后，硬度、渗层、金相组织满足技术要求，变形满足加工工艺要求，后续磨削过程中无磨削裂纹。 7.结语 （1）得出了18CrNiMo7-6、20CrNi2MoA材料渗碳后预冷保温淬火+冰冷处理+两次低温回火工艺，采用此工艺处理后，工件、试块硬度满足技术要求58～62HRC，随炉试块金相组织级别符合《重载齿轮检验标准》和公司内控的渗碳齿轮标准，在后续磨齿过程中，工件变形满足后续加工要求，未出现磨削裂纹。 （2）与重新加热淬火工艺相比，采用渗碳直接淬火工艺生产效率提高30%。 （3）18CrNiMo7-6、20CrNi2MoA两种材料采用渗碳预冷保温淬火+冰冷处理+二次低温回火的工艺可行，但必须严格控制工件渗碳过程。 关于我们 “热处理生态圈”以热处理为核心报道方向，着眼材料、冶金、热成型、加工和结构等影响零件成品的整个链条因素，构建质量生态圈的理念。 |
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