作者：米佩，陳增謀

單位： 寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司

來(lái)源：《金屬加工（熱加工）》雜志

滲碳淬火工藝主要有兩種，一種是在930℃進(jìn)行規(guī)定的滲碳擴(kuò)散處理后，降溫至800～850℃，待爐內(nèi)工件溫度達(dá)到設(shè)定溫度后進(jìn)行淬火處理，稱為滲碳直接淬火。另一種是采用重新加熱淬火工藝，即齒輪滲碳后先空冷或爐冷到室溫，然后再重新加熱到奧氏體化溫度保溫后在油中淬火，采用此種工藝工件變形大，工序多，制造周期長(zhǎng)，成本高。

直接淬火與重新加熱淬火相比容易出現(xiàn)以下問(wèn)題：工件表面硬度略低；滲層中殘留奧氏體量多；表面晶粒粗大。

本文作者通過(guò)一系列的試驗(yàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)18CrNiMo7-6和20CrNi2MoA兩種材料滲碳時(shí)表面含碳量，從而得出了適用于18CrNiMo7-6和20CrNi2MoA兩種材料滲碳直接淬火工藝。

1.試驗(yàn)材料

用齒輪粗車件來(lái)代替滲碳齒輪件，隨爐裝材料為18CrNiMo7-6和20CrNi2MoA剝層試棒各1件，材料為18CrNiMo7-6、20CrNi2MoA和20CrMnTi滲碳試塊各1塊，剝層試棒用于表面到中心碳含量的分析，試塊用于滲碳金相組織、硬度的檢驗(yàn)。

2.技術(shù)要求

工藝滲碳層深度1.7～2.1mm，硬度58～62HRC，金相組織級(jí)別：馬氏體及殘留奧氏體≤4級(jí)、碳化物≤3級(jí)、心部鐵素體≤4級(jí)。

3.試驗(yàn)參數(shù)及方法

本次試驗(yàn)采用匯森多用爐，功率220kW。

（1）試塊硬度、金相顯微組織檢測(cè)

（2）滲碳試驗(yàn)參數(shù)

滲碳工序工藝：滲碳淬火+冰冷處理+一次低溫回火+二次低溫回火+拋丸處理。滲碳淬火工藝參數(shù)如圖1所示，工藝中設(shè)定滲碳層深度為1.9mm。

從表1可以得出，三種材料采用上述工藝參數(shù)處理后，滲層均為1.9mm，滿足工藝技術(shù)要求1.7～2.1mm，硬度滿足技術(shù)要求58～62HRC，但18CrNiMo7-6材料試塊硬度偏下限，從金相組織結(jié)果分析硬度低主要原因是表面殘留奧氏體量多造成，而對(duì)于20CrNi2MoA材料試塊硬度偏低主要是滲碳試塊表面含碳量較低造成，從剝層試棒結(jié)果看出試塊表面含碳量?jī)H為0.7%，一般滲碳后含碳量為0.75%時(shí)，淬火后得到最高的硬度，低于或高于0.75%，硬度都會(huì)降低。

（2）剝層試棒滲層含碳量結(jié)果如圖2、圖3所示。

從圖2、圖3可以得出，材料為18CrNiMo7-6剝層試棒滲層碳濃度梯度緩慢降低，但材料為20CrNi2MoA剝層試棒滲層含碳量梯度在0.3～0.7mm之間波動(dòng)較大，且表層含碳量較18CrNiMo7-6低0.03%，造成這種差異的主要原因是18CrNiMo7-6鋼中富含碳化物形成元素Cr，而20CrNi2MoA鋼富含非碳化物形成元素Ni，所以在相同的碳勢(shì)下，18CrNiMo7-6材料容易形成碳化物，但總體表層碳含量基本與擴(kuò)散期碳勢(shì)設(shè)定相差不大，結(jié)果比較理想。

（3）金相組織圖見(jiàn)圖4～圖9所示。圖4中18CrNiMo7-6表層金相組織為：馬氏體、殘留奧氏體4級(jí)、碳化物1級(jí)；圖5中18CrNiMo7-6心部金相組織為鐵素體3級(jí)。圖6中20CrNi2MoA表層金相組織為：馬氏體、殘留奧氏體2級(jí)、碳化物1級(jí)；圖7中20CrNi2MoA心部金相組織為鐵素體3級(jí)。圖8中20CrMnTi表層金相組織為：馬氏體、殘留奧氏體2級(jí)、碳化物1級(jí)；圖9中20CrMnTi心部金相組織為鐵素體1級(jí)。

對(duì)三種材料金相組織進(jìn)行分析，采用同樣的工藝參數(shù)，材料為18CrNiMo7-6試塊金相組織馬氏體及殘留奧氏體為4級(jí)，雖然滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但相對(duì)其他兩種材料馬氏體組織粗大一些，主要原因：

一是18CrNiMo7-6比20CrNi2MoA含Cr量高，Cr等元素溶入奧氏體中，增加了奧氏體的穩(wěn)定性，使淬火后殘留奧氏體增多；

二是滲層含C量過(guò)高，使溶入奧氏體的碳量增加，造成淬火后殘余奧氏體增多；

三是滲碳用鋼本身晶粒度大小。

解決的辦法是后續(xù)試驗(yàn)中降低擴(kuò)散期碳勢(shì)，達(dá)到降低馬氏體及殘留奧氏體級(jí)別。

5.對(duì)材料為18CrNiMo7-6和20CrNi2MoA的工件進(jìn)行滲碳直接淬火小批量試驗(yàn)

滲碳工序工藝：滲碳淬火+冰冷處理+一次低溫回火+二次低溫回火+拋丸處理。根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，18CrNiMo7-6材料試塊金相組織馬氏體及殘留奧氏體為4級(jí)，為了得到更好的金相組織，此次試驗(yàn)中對(duì)18CrNiMo7-6材料滲碳直接淬火工藝略做調(diào)整，主要是降低強(qiáng)滲、擴(kuò)散期碳勢(shì)，其中強(qiáng)滲期碳勢(shì)由原來(lái)的1.1%調(diào)整至1.05%，擴(kuò)散期碳勢(shì)由原來(lái)的0.75%調(diào)整至0.7%，其他工藝參數(shù)不變。20CrNi2MoA材料則執(zhí)行原試塊滲碳直接淬火工藝參數(shù)。兩種材料工藝滲層均為1.9mm，調(diào)整后18CrNiMo7-6材料工藝曲線如圖10所示。

工件滲碳處理后硬度、滲層見(jiàn)表2，金相組織結(jié)果如圖11～圖14所示。圖11中18CrNiMo7-6表層金相組織為：馬氏體、殘留奧氏體1級(jí)、碳化物1級(jí)；圖12中18CrNiMo7-6心部金相組織為鐵素體2級(jí)。圖13中18CrNiMo7-6表層金相組織為：馬氏體、殘留奧氏體2級(jí)、碳化物1級(jí)； 圖14中18CrNiMo7-6心部金相組織為鐵素體3級(jí)。

表2 工件滲碳處理后硬度、滲層結(jié)果

材料 實(shí)際檢測(cè)硬度值HRC 平均硬度HRC 滲層/mm 18CrNiMo7-6 59.2、59.8、60.4 59.8 2.0 20CrNi2MoA 59.6、60.8、61.9 60.8 2.0

從結(jié)果來(lái)看，采用上述工藝參數(shù)后，兩種材料硬度、滲層、金相組織滿足技術(shù)要求，后續(xù)磨削過(guò)程中無(wú)磨削裂紋，可以批量試驗(yàn)。

6.對(duì)材料為18CrNiMo7-6和20CrNi2MoA的工件進(jìn)行滲碳直接淬火大批量試驗(yàn)

在批量試驗(yàn)中，材料為18CrNiMo7-6的工件試驗(yàn)18件，采用圖10滲碳淬火工藝參數(shù)，材料為20CrNi2MoA工件22件，采用圖11滲碳淬火工藝參數(shù)，工件采用相應(yīng)的滲碳工藝參數(shù)滲碳直接淬火后，硬度、滲層、金相組織滿足技術(shù)要求，變形滿足加工工藝要求，后續(xù)磨削過(guò)程中無(wú)磨削裂紋。

7.結(jié)語(yǔ)

（1）得出了18CrNiMo7-6、20CrNi2MoA材料滲碳后預(yù)冷保溫淬火+冰冷處理+兩次低溫回火工藝，采用此工藝處理后，工件、試塊硬度滿足技術(shù)要求58～62HRC，隨爐試塊金相組織級(jí)別符合《重載齒輪檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》和公司內(nèi)控的滲碳齒輪標(biāo)準(zhǔn)，在后續(xù)磨齒過(guò)程中，工件變形滿足后續(xù)加工要求，未出現(xiàn)磨削裂紋。

（2）與重新加熱淬火工藝相比，采用滲碳直接淬火工藝生產(chǎn)效率提高30%。

（3）18CrNiMo7-6、20CrNi2MoA兩種材料采用滲碳預(yù)冷保溫淬火+冰冷處理+二次低溫回火的工藝可行，但必須嚴(yán)格控制工件滲碳過(guò)程。