滲碳淬火工藝參數(shù)對17CrNiMo6鋼性能的影響

劉娜

采埃孚（天津）風(fēng)電有限公司 天津 300402

1 序言

滲碳過程是指使碳原子滲入到鋼表面層的過程，也是使低碳鋼的工件具有高碳鋼的表面層，再經(jīng)過淬火和低溫回火處理，工件的表面層具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持著低碳鋼固有的韌性和塑性。但滲碳過程中，容易形成網(wǎng)狀或角塊狀碳化物，降低齒輪的疲勞強(qiáng)度和耐磨性，嚴(yán)重縮短滲碳零件的使用壽命，且在淬火或機(jī)械加工中易產(chǎn)生裂紋。表面獲得彌散分布的顆粒狀碳化物可有效提高齒輪的疲勞強(qiáng)度和耐磨性，有益于延長滲碳零件的使用壽命。較高的表面硬度可提高齒輪的接觸疲勞抗力，顯著延長其接觸疲勞壽命[1]。淬火的目的是使過冷奧氏體進(jìn)行馬氏體或貝氏體轉(zhuǎn)變，得到馬氏體或貝氏體組織，然后配合以不同溫度的回火，以大幅提高鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度以及韌性等，從而滿足各種機(jī)械零件和工具的不同使用要求，也可以通過淬火滿足某些特種鋼材的鐵磁性、耐蝕性等特殊的物理性能或化學(xué)性能。

17CrNiMo6是德國DIN 17210—1986標(biāo)準(zhǔn)的鋼號，歐標(biāo)為18CrNiMo7-6。17CrNiMo6鋼主要用于高強(qiáng)度滲碳齒輪，如重型汽車及重型汽車起重機(jī)變速箱齒輪、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪等承受著突然變載的沖擊載荷及周期性變動的彎曲載荷和復(fù)雜應(yīng)力的齒輪，可能會造成輪齒的脆性斷裂或彎曲疲勞破壞[2]。輪齒的工作面承受著較大的應(yīng)力及摩擦力，會造成麻點(diǎn)接觸疲勞破壞及深層剝落。因此，變速箱齒輪應(yīng)具有高的抗彎強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度，其表面應(yīng)具有高的硬度和耐磨性，而心部應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和韌性，從而要求這些齒輪所用材料應(yīng)具有較高的綜合力學(xué)性能。Cr-Ni-Mo系鋼17CrNiMo6由于良好的綜合力學(xué)性能正逐漸被廣泛應(yīng)用。

本文為獲得彌散分布的顆粒狀碳化物及較高的表面硬度[3]，并且工件的中心部分仍然保持著低碳鋼固有的韌性和塑性，對17CrNiMo6的滲碳工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并和常規(guī)的滲碳直接淬火工藝進(jìn)行對比，分析了經(jīng)過兩種不同的滲碳工藝參數(shù)處理后，試樣的綜合力學(xué)性能的差別及原因。

2 試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)選用的材料為17CrNiMo6鍛圓鋼，其生產(chǎn)工藝為：電爐→LF爐→VD爐→模鑄→鍛造→預(yù)先熱處理，其化學(xué)成分見表1。

表1 17CrNiMo6鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

2.2 滲碳工藝過程

滲碳過程在井式氣體滲碳爐中進(jìn)行，試件裝爐前使用清洗劑清洗干凈、晾干，17CrNiMo6試件采用變碳勢滲層滲碳工藝，600℃通入氮?dú)猓?50℃通入甲醇，900℃通入丙烷。變碳勢滲碳的主要目的是獲得均勻的滲碳層，防止網(wǎng)狀或塊狀碳化物的產(chǎn)生。采用井式回火爐進(jìn)行回火，回火溫度為170℃[4]。此外，本次試驗(yàn)采用兩種不同的滲碳淬火工藝，其中一種是常規(guī)滲碳直接淬火工藝，另一種是滲碳完畢后進(jìn)行600℃保溫、再升溫至840℃進(jìn)行淬火，工藝曲線分別如圖1、圖2 所示。

圖1 17CrNiMo6試件滲碳后直接淬火回火工藝曲線

圖2 17CrNiMo6試件滲碳后進(jìn)行600℃保溫再升溫淬火回火工藝曲線

2.3 檢驗(yàn)儀器的選擇

對滲碳淬火后的試件進(jìn)行檢測，所選用的儀器分別是洛氏硬度計、維氏硬度計（HV30）、顯微硬度計、金相顯微鏡、碳硫分析儀等。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 檢測結(jié)果對比

分別對經(jīng)過兩種不同工藝處理后的試件進(jìn)行硬度檢測、金相組織檢測及綜合力學(xué)性能檢測。

（1）表面硬度對比 對經(jīng)過常規(guī)滲碳淬火處理的試件和滲碳后600℃保溫再淬火的試件進(jìn)行表面硬度檢測，表面硬度要求為58～62HRC，采用洛氏硬度計進(jìn)行測量，每個試件上分別測量三次，計算其平均值為表面硬度值，見表2。

表2 兩種不同工藝處理后的試件的表面硬度

滲碳后經(jīng)600℃保溫再淬火的試件的表面硬度略高于常規(guī)滲碳淬火處理試件的表面硬度。

（2）心部硬度對比 對經(jīng)過常規(guī)滲碳淬火處理的試件和滲碳后600℃保溫再淬火的試件進(jìn)行心部硬度檢測，心部硬度要求為≥340HV30，采用維氏硬度計進(jìn)行測量，加載載荷力為30kg（1kg=9.8N），每個試件上分別測量三次，計算其平均值為心部硬度值，見表3。

表3 兩種不同工藝處理后的試件的心部硬度

滲碳后經(jīng)600℃保溫再淬火試件的心部硬度略低于常規(guī)滲碳淬火處理試件的心部硬度。

（3）金相組織對比 對經(jīng)過常規(guī)滲碳淬火處理和滲碳后600℃保溫再淬火的試件進(jìn)行金相組織觀察，使用金相顯微鏡在不同的放大倍數(shù)下，分別對表面組織（500×）、心部組織（200×）和晶界氧化（1000×）進(jìn)行觀察。如圖3、圖4所示，其中：圖3a為常規(guī)滲碳淬火處理后，試件的表面顯微組織（500×），圖3b為常規(guī)滲碳淬火處理后，試件的心部組織（200×），圖3c為常規(guī)滲碳淬火處理后，試件的晶界氧化（1000×），圖4a為滲碳后600℃保溫再淬火處理后，試件的表面顯微組織（500×），圖4b為滲碳后600℃保溫再淬火處理后，試件的心部組織（200×），圖4c為滲碳后600℃保溫再淬火處理后，試件的晶界氧化（1000×）。

從圖3a和圖4a中可以明顯看出，滲碳后經(jīng)600℃保溫再淬火的試件，其表面馬氏體更加細(xì)化且碳化物呈彌散分布的顆粒狀，殘留奧氏體量明顯降低。

（4）晶粒度級別對比 對經(jīng)過常規(guī)滲碳淬火處理和滲碳后經(jīng)600℃保溫再淬火的試件進(jìn)行晶粒度級別的對比，晶粒度級別要求是＞5級。圖5為常規(guī)滲碳淬火處理后的晶粒度（100×），晶粒度級別為7級，圖6為滲碳后600℃保溫再淬火處理后的晶粒度（100×），晶粒度級別為8.5級。

圖3 常規(guī)滲碳淬火處理金相

圖4 滲碳后600℃保溫再淬火處理后金相

從圖5和圖6中可以看出，滲碳后經(jīng)600℃保溫再淬火的試件，其晶粒度被細(xì)化，平均晶粒度等級更高。

（5）綜合力學(xué)性能參數(shù)對比 對經(jīng)過常規(guī)滲碳淬火處理的試件和滲碳后經(jīng)600℃保溫再淬火的試件進(jìn)行性能試驗(yàn)，性能數(shù)據(jù)對比見表4。

圖5 晶粒度7級（100×）

圖6 晶粒度8.5級（100×）

表4 兩種不同工藝處理后的試件的性能數(shù)值

從上述數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過兩種不同工藝處理后的試件的性能數(shù)值均能滿足性能要求，但滲碳后經(jīng)600℃保溫再淬火的試件的屈服強(qiáng)度和沖擊吸收能量略高于常規(guī)滲碳淬火試件。

3.2 兩種滲碳工藝差異分析

（1）碳濃度的影響 由于17CrNiMo6材料本身富含有碳化物形成元素，其中碳化物形成元素將增大鋼表面吸收碳原子的能力，阻礙碳在奧氏體中的擴(kuò)散，提高滲碳層表面碳濃度。此種材料采用變碳勢滲碳，可以獲得更加均勻的滲碳層，有效防止網(wǎng)狀或塊狀碳化物的產(chǎn)生。

（2）溫度的影響 試件采用改進(jìn)后的滲碳工藝，增加600℃保溫階段，然后再升溫至840℃進(jìn)行淬火，相當(dāng)于增加了一次對試件進(jìn)行晶粒細(xì)化的過程，使試件表面獲得彌散分布的顆粒狀碳化物的組織，提高了試件的表面硬度，進(jìn)一步提高了試件的接觸疲勞強(qiáng)度和耐磨性，與此同時細(xì)化了心部組織，提高了試件的屈服強(qiáng)度和沖擊吸收能量。

4 結(jié)束語

1）改進(jìn)后的工藝，使試件的表面硬度提高。

2）改進(jìn)后的工藝，使試件的表面組織更加均勻細(xì)化，表面獲得彌散分布的顆粒狀碳化物的組織，有效提高了試件的接觸疲勞強(qiáng)度和耐磨性。

3）改進(jìn)后的工藝，細(xì)化了心部組織，提高了晶粒度級別，進(jìn)一步提高了試件的屈服強(qiáng)度和沖擊吸收能量。

通過熱處理工藝技術(shù)的改進(jìn)，對用于重型汽車及重型汽車起重機(jī)變速箱齒輪、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪等承受著突然變載的沖擊載荷及周期性變動的彎曲載荷和復(fù)雜應(yīng)力的齒輪，進(jìn)一步改善了其組織，提高了綜合力學(xué)性能，更好地滿足了產(chǎn)品的需要。