合金結(jié)構(gòu)鋼在RX氣為保護(hù)氣氛中加熱的吸氫研究

于國(guó)超，賈 磊，鄔俊祥，熊 偉，賈冬生，李建國(guó)，王 成，李曉艷，劉 哲

(1.內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)瑞特精密工模具有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030；2.陸軍裝備部駐包頭地區(qū)第一軍事代表室，內(nèi)蒙古 包頭 014030；3.內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)股份有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

為解決以20Cr2Ni4A和38CrSi為代表的合金結(jié)構(gòu)鋼在熱處理過(guò)程中氧化脫碳問(wèn)題，內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)瑞特精密工模具有限公司新建一條可控氣氛多用爐生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線采用RX氣為保護(hù)氣氛，RX氣成分如下：38.7%～40.4%的H2，38.8%～40.1%的N2和19.5%～20.4%的CO。由于這種成分含有較多氫，并在熱處理時(shí)容易滲入鋼中，且已知高強(qiáng)鋼不宜在含氫保護(hù)氣氛下進(jìn)行保護(hù)加熱的研究結(jié)論[1-3]，為驗(yàn)證本公司常用合金結(jié)構(gòu)鋼在RX氣為保護(hù)氣氛下淬火加熱的吸氫情況和以RX氣為載氣、凈化天然氣為富化氣的滲碳淬火工藝過(guò)程吸氫情況，本公司聯(lián)合一機(jī)集團(tuán)工藝研究所和北京鋼鐵研究總院做了相關(guān)工藝試驗(yàn)，以確保公司常用合金結(jié)構(gòu)鋼熱處理后不會(huì)出現(xiàn)氫脆危險(xiǎn)，同時(shí)為制造企業(yè)引用RX氣作為保護(hù)氣氛提供借鑒。

1 試驗(yàn)用料和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用料選用20Cr2Ni4A和38CrSi等2種合金結(jié)構(gòu)鋼，試棒規(guī)格為φ50 mm×100 mm，分別對(duì)20Cr2Ni4A和38CrSi這2種合金鋼試棒熱處理前(毛坯)、淬火和淬火加回火后的3種狀態(tài)進(jìn)行吸氫檢測(cè)，并對(duì)20Cr2Ni4A試棒熱處理前(毛坯)、滲碳、滲碳+高溫回火、滲碳+高溫回火+淬火、滲碳+高溫回火+淬火+低溫回火的5種狀態(tài)進(jìn)行吸氫檢測(cè)，2種材料的3種熱處理工藝過(guò)程見(jiàn)表1～表3。

表1 20Cr2Ni4A試棒熱處理工藝過(guò)程

表2 38CrSi試棒熱處理工藝過(guò)程

表3 20Cr2Ni4A試棒熱處理工藝過(guò)程

檢測(cè)時(shí)分別在試樣邊緣位置線切掏取并精磨加工測(cè)氫試樣(φ5圓棒)，利用HTDS-002型試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)試樣氫含量值，試驗(yàn)精度為0.01 ppm，在10-9真空度下，由室溫加熱至800 ℃，加熱速率為100 ℃/h，到溫后自然降溫至室溫，在加熱過(guò)程中通過(guò)四級(jí)質(zhì)譜檢測(cè)氫的逸出速率，試驗(yàn)后稱重試樣，由設(shè)備自帶計(jì)算軟件得到試樣中的氫含量及氫的逸出速率曲線。

2 檢測(cè)結(jié)果與分析

2.1 材料20Cr2Ni4A淬火工藝吸氫檢測(cè)

圍繞材料20Cr2Ni4A的不同狀態(tài)進(jìn)行吸氫檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4，淬火過(guò)程增加了材料的氫含量(0.05 ppm)，氫逸出速率曲線中(見(jiàn)圖1)，淬火過(guò)程后在300～500 ℃溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)了小波峰(見(jiàn)圖1b)，但是通過(guò)回火后，材料內(nèi)部的氫含量降低，小波峰消失，淬火+高溫回火后材料的氫含量為0.083 ppm，和毛坯氫含量基本相同。

a) 毛坯

表4 材料20Cr2Ni4A不同狀態(tài)下的吸氫檢測(cè)結(jié)果

2.2 材料38CrSi淬火工藝吸氫檢測(cè)

圍繞材料38CrSi的不同狀態(tài)進(jìn)行吸氫檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5，淬火過(guò)程增加了材料的氫含量(0.08 ppm)，氫逸出速率曲線中(見(jiàn)圖2)，淬火過(guò)程后在300～450 ℃溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)了小波峰(見(jiàn)圖2b)，但是通過(guò)高溫回火后，材料內(nèi)部的氫含量降低，小波峰消失，淬火+高溫回火后材料的氫含量為0.072 ppm，比毛坯氫含量低了0.002 ppm。

表5 材料38CrSi不同狀態(tài)下的吸氫檢測(cè)結(jié)果

a) 毛坯

2.3 材料20Cr2Ni4A滲碳淬火工藝吸氫檢測(cè)

圍繞材料20Cr2Ni4A的不同狀態(tài)進(jìn)行吸氫檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。滲碳、淬火過(guò)程增加了材料20Cr2Ni4A的氫含量，氫逸出速率曲線中(見(jiàn)圖3)，滲碳和淬火過(guò)程發(fā)生后在300～500 ℃溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)了小波峰(見(jiàn)圖3b和圖3d)，高溫回火后滲碳過(guò)程增加的氫全部釋放掉，小波峰消失，降低了材料中的氫含量，此時(shí)氫含量低于毛坯的氫含量。通過(guò)圖3d和圖3e對(duì)比分析可知，低溫回火對(duì)材料20Cr2Ni4A內(nèi)部的氫含量影響不大，熱處理后得到的氫含量比毛坯高0.042 ppm。

表6 材料20Cr2Ni4A不同狀態(tài)下的吸氫檢測(cè)結(jié)果

a) 鍛造毛坯

2.4 20Cr2Ni4A材料的力學(xué)性能檢測(cè)

為了驗(yàn)證RX氣為保護(hù)氣氛和無(wú)保護(hù)氣氛下熱處理后材料的力學(xué)性能差別，以材料20Cr2Ni4A為研究對(duì)象，分別在新舊設(shè)備進(jìn)行淬火+回火處理，淬火的溫度為910 ℃，回火溫度為510 ℃，熱處理后測(cè)試材料表面的硬度值和材料的力學(xué)性能，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 材料20Cr2Ni4A在新舊設(shè)備熱處理后力學(xué)性能測(cè)試

由檢測(cè)結(jié)果可知，新舊設(shè)備熱處理后硬度值相同，均為285 HBW (d=3.6)，采用新設(shè)備熱處理后材料的強(qiáng)度較舊設(shè)備熱處理后材料的強(qiáng)度高，平均值高出55 MPa，延伸率和沖擊韌性較舊設(shè)備處理后的材料有所降低，沖擊功平均值僅降低2 J(注：舊線沖擊功有個(gè)異常值為34 J，出現(xiàn)異?？赡芘c試件加工缺陷、組織缺陷等因素有關(guān)，因此計(jì)算平均值和波動(dòng)值時(shí)不含該異常值)，并且新設(shè)備熱處理后材料的沖擊性能分布較舊設(shè)備分布均勻，這可能和新設(shè)備爐膛內(nèi)部溫度均勻性好有關(guān)系。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)38CrSi鋼、20Cr2Ni4A鋼在以RX氣為保護(hù)氣氛下淬火加熱時(shí)存在吸氫現(xiàn)象，但通過(guò)回火工序能夠有效脫氫，基本維持毛坯含氫水平，不會(huì)導(dǎo)致氫脆現(xiàn)象。

2)20Cr2Ni4A鋼以RX氣為載氣、凈化天然氣為富化氣滲碳時(shí)存在吸氫現(xiàn)象，經(jīng)高溫回火后能夠有效去除，經(jīng)淬火后又有一部分氫滲入，這部分增氫無(wú)法通過(guò)低溫回火去除，但考慮滲碳產(chǎn)品服役條件主要對(duì)耐磨性要求較高，經(jīng)查閱資料可知材料吸氫對(duì)耐磨性影響不大。

3)通過(guò)對(duì)比RX氣為保護(hù)氣氛和無(wú)保護(hù)氣氛下熱處理后材料的力學(xué)性能差別，同等工藝條件下，新線熱處理產(chǎn)品性能略優(yōu)于舊線熱處理產(chǎn)品。

4)RX氣作為保護(hù)氣氛可以對(duì)合金結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行常規(guī)熱處理，制造企業(yè)在選擇熱處理工藝方案時(shí)可適當(dāng)參考。