淺談20CrMo鋼液壓缸滲碳淬火硬度不足問題

譚硯，左永平

南京科潤工業(yè)介質(zhì)股份有限公司 江蘇南京 211100

1 序言

20CrMo屬于低合金碳素結(jié)構(gòu)鋼，廣泛應(yīng)用于各型工件的生產(chǎn)應(yīng)用，如齒輪、軸、高強(qiáng)度緊固件等。在某公司的生產(chǎn)應(yīng)用中，將此材質(zhì)用于工程機(jī)械上液壓破碎器的液壓缸，要求經(jīng)過滲碳熱處理后具有高硬度、高耐磨性能特性，同時要求良好的塑性和韌性，即具有良好的綜合力學(xué)性能 。

在液壓缸初期生產(chǎn)過程中，通過正常工藝流程后，發(fā)現(xiàn)工件的表面硬度整體偏低，即使在不同的工藝條件控制下，仍舊沒有解決工件表面硬度偏低的問題，對此，我們對工件進(jìn)行了有針對性的研究。

2 液壓缸的熱處理工藝、技術(shù)要求及問題

該型液壓缸體積較大，產(chǎn)品單重在365k g左右，有效厚度為150～200mm，工件實(shí)物如圖1所示。

圖1 某液壓缸實(shí)物

經(jīng)過熱處理滲碳淬火后，要求工件的滲碳層深為1.0～1.4m m，工件的整體硬度控制在58～62HRC，GB/T 3077—1999《合金結(jié)構(gòu)鋼中》對20CrMo鋼的化學(xué)成分要求[1]見表1。

表1 20CrMo鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

在實(shí)際生產(chǎn)中，采用多種工藝方法進(jìn)行處理，結(jié)果顯示表面硬度＜50HRC，均不合格，且通過調(diào)整滲碳溫度和提高淬火溫度都無法達(dá)到技術(shù)要求，具體熱處理工藝見表2。

表2 熱處理工藝

3 液壓缸表面硬度偏低原因分析

（1）滲碳溫度 滲碳溫度是滲碳過程中重要的工藝參數(shù)，也是影響奧氏體溶碳能力的因素。隨著溫度升高，碳在奧氏體中的溶解度增大，根據(jù)鐵-碳相圖可知，850℃時碳在奧氏體中的飽和溶解度為1.0%，930℃時為1.25%[2]，滲碳溫度的準(zhǔn)確性，直接影響到工件的淬火質(zhì)量。

經(jīng)過對設(shè)備的9點(diǎn)溫度檢測，溫度不存在偏差，爐溫正常，未發(fā)現(xiàn)明顯的溫度差異，因此排除溫度對工件表面硬度的影響。

（2）碳濃度的影響 在工藝執(zhí)行過程中，每個工藝編號條件下，都采用了隨爐試塊（25mm×25mm），對試塊硬度的檢測結(jié)果要好于工件本體硬度，按照工藝3執(zhí)行的滲碳試塊，工件端面及縱向的硬度檢測結(jié)果見表3。

表3 工件硬度檢測結(jié)果 （HRC）

按照GB/T 9450—2005《鋼鐵滲碳淬火有效硬化層深度的測定和校核》規(guī)定的硬度法，對熱處理后的隨爐試塊進(jìn)行滲碳層硬度梯度檢測，結(jié)果見表4。

表4 工件滲層硬度梯度檢測結(jié)果

按照金相分析方法，對試塊的滲層進(jìn)行觀察，以確定滲層中碳濃度是否達(dá)到規(guī)定的要求，檢測工件的有效硬化層深度及表面層金相組織如圖2所示。

圖2 試塊滲層金相組織

通過對圖2試塊滲層金相組織的觀察，表層基本上為針狀馬氏體＋殘留奧體體，未見明顯的碳化物組成存在，同時通過有效硬化層深度檢測，試塊在滲碳處理后出現(xiàn)了明顯的“抬頭”現(xiàn)象，說明在滲層存在較為明顯的氧化氣氛，導(dǎo)致表面硬度出現(xiàn)偏低，而階梯硬度則出現(xiàn)上升現(xiàn)象。

為更好地觀察工件試塊滲層的組織，對試塊進(jìn)行退火，退火工藝為：860℃×30min，隨爐冷卻到500℃，取出空冷。制取金相試樣，觀察20CrMo鋼滲碳件的平衡態(tài)金相組織，如圖3所示。

通過對圖3平衡態(tài)金相組織的觀察，其組織形貌與正常低碳鋼滲層緩冷后組織存在較大差異，無法明顯有效地區(qū)分開滲層組織中的過共析層、共析層及過渡層。低碳鋼滲碳緩冷后的組織結(jié)構(gòu)應(yīng)為：表層為珠光體＋網(wǎng)狀滲碳體，往里為共析組織，亞共析組織過渡區(qū)，直至原始組織[3]。

圖3 試塊退火后的金相組織

通過對圖3平衡態(tài)組織的觀察，其形貌結(jié)構(gòu)更接近于普通中碳鋼經(jīng)過退火后得到的平衡態(tài)組織，為均勻分布的珠光體＋鐵素體組織，未見明顯的滲碳體，說明爐內(nèi)滲碳?xì)夥仗紕莶蛔?，不能保證工件表面得到足夠的碳濃度。因此在滲碳溫度正常的情況下，需要提高碳勢，使工件表面獲得足夠的碳濃度，形成有效的碳濃度梯度。

4 工藝方法和條件的改進(jìn)

碳原子由表面向心部的擴(kuò)散是滲碳得以進(jìn)行并獲得一定深度滲層所必需的。擴(kuò)散的驅(qū)動力是表面與心部間的碳濃度梯度[4]。要想達(dá)到較好的滲碳效果，既要求活性碳原子及時得到吸收，保證爐內(nèi)氣氛的均勻循環(huán)，同時還要求提供的碳原子（分解速度）與吸收速度相配合，不能形成積碳，也不能供給不足。

通過對原有工藝環(huán)節(jié)及試塊的分析，認(rèn)為實(shí)際工件的硬度偏低現(xiàn)象，主要原因是爐體內(nèi)氣氛不足造成滲層表面碳濃度偏低，無法實(shí)現(xiàn)有效地滲碳處理，得不到理想的滲層組織，也就無法達(dá)到足夠的硬度。

對此，采取針對性的整改措施，對設(shè)備進(jìn)行整體檢修，重新更換碳勢監(jiān)控設(shè)備，爐體密封性驗(yàn)證，再次對爐內(nèi)氣氛進(jìn)行定碳處理，確保爐內(nèi)氣氛均勻準(zhǔn)確。經(jīng)過重新評估爐體條件，重新設(shè)定滲碳淬火工藝參數(shù)后再進(jìn)行生產(chǎn)。調(diào)整后的熱處理工藝見表5。

表5 調(diào)整后的熱處理工藝

通過調(diào)整后的熱處理工藝處理后的試塊滲層金相組織如圖4所示。

圖4 試塊滲層金相組織

從圖4可以看出，由于金相組織主要由細(xì)片狀回火馬氏體、細(xì)粒狀碳化物和少量殘留奧氏體組成，與正常的滲碳淬火組織相符，故而保證了有效的表面硬度，使工件的整體表面硬度在技術(shù)條件要求范圍內(nèi)。

為更好地對比熱處理工藝調(diào)整前后的組織變化，對試塊進(jìn)行同樣工藝的退火處理。退火工藝為：860℃×30min，隨爐冷卻到500℃，取出空冷。制取金相試樣，觀察20CrMo鋼滲碳件的平衡態(tài)組織。圖5所示為經(jīng)過調(diào)整工藝熱處理后的退火組織。

圖5 試塊經(jīng)退火后的金相組織

從圖5可以清晰地看到珠光體和網(wǎng)狀滲碳體，對比圖3中的表層組織，能夠明顯地看出兩者之間的差異。圖3中的組織更接近于普通中碳鋼經(jīng)過退火后的平衡態(tài)組織，也就是說其碳含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）在0.5%左右；而圖5中的平衡態(tài)組織，是正常的滲碳退火后的珠光體＋網(wǎng)狀滲碳體組織。這種組織變化，充分說明在原有工藝條件下的爐體氣氛存在較大問題，導(dǎo)致工件滲碳條件達(dá)不到設(shè)定要求，致使工件經(jīng)過工藝處理后達(dá)不到規(guī)定的技術(shù)要求。

5 結(jié)束語

1）低合金碳素結(jié)構(gòu)鋼在滲碳淬火后緩冷的固體相變組織，可以用于確定最終的滲碳層中碳含量，以便確定爐體氣氛是否達(dá)到設(shè)定要求。

2）通過提高碳勢，雖然在一定程度上可以起到增強(qiáng)滲碳效果的目的，但由于碳在奧氏體中的飽和溶解度能力有限，故需要根據(jù)實(shí)際情況靈活設(shè)定碳勢，以避免可能出現(xiàn)的積碳現(xiàn)象。

3）滲碳處理設(shè)備的精密程度，將直接影響到最終的熱處理效果。