無(wú)碳化物貝氏體釬鋼材料偽滲碳組織和力學(xué)性能的研究

程巨強(qiáng)，劉志學(xué)，張 琢

（西安工業(yè)大學(xué) 材料與化工學(xué)院，陜西 西安 710032）

無(wú)碳化物貝氏體釬鋼材料偽滲碳組織和力學(xué)性能的研究

程巨強(qiáng)，劉志學(xué)，張 琢

（西安工業(yè)大學(xué) 材料與化工學(xué)院，陜西 西安 710032）

研究了兩種偽滲碳熱處理工藝無(wú)碳化物貝氏體釬鋼的組織和力學(xué)性能及工業(yè)滲碳試驗(yàn)非滲層的組織。結(jié)果表明，常規(guī)正火熱處理和不同的偽滲碳處理后貝氏體釬鋼具有良好的強(qiáng)韌性配合，偽滲碳工藝試驗(yàn)材料的組織和滲碳工藝中非滲層組織沒有出現(xiàn)組織過(guò)分長(zhǎng)大及其粗化的情況。920℃×10h降溫880℃空冷+680℃空冷+加熱880℃空冷+200℃回火偽滲碳處理和滲碳熱處理試驗(yàn)材料可以獲得良好的強(qiáng)韌性。

無(wú)碳化物貝氏體釬鋼；偽滲碳；組織；力學(xué)性能

對(duì)于表面要求較高的耐磨性和較高疲勞強(qiáng)度的零件，如對(duì)于承受疲勞或沖擊的齒輪、軸及重型釬桿等，生產(chǎn)中可采用滲碳處理來(lái)增加表面的耐磨性和提高疲勞強(qiáng)度[1～3]。滲碳處理時(shí)為了使零件表面獲得一定含碳量和滲層深度，滲碳處理一般在較高溫度和一定的碳勢(shì)氣氛中保持較長(zhǎng)時(shí)間，完成滲碳。滲碳時(shí)滲碳鋼在高溫下長(zhǎng)時(shí)間保溫會(huì)造成滲碳鋼組織的粗大，影響材料的使用性能，因此研究滲碳過(guò)程非滲層組織和力學(xué)性能具有重要的實(shí)際意義。目前關(guān)于滲碳鋼偽滲碳方面的文獻(xiàn)研究較少，本文研究一種經(jīng)濟(jì)型的高強(qiáng)度無(wú)碳化物貝氏體鋼偽滲碳的組織和力學(xué)性能，并結(jié)合實(shí)際滲碳生產(chǎn)，分析滲碳過(guò)程非滲碳層組織的變化，為這種新型滲碳鋼的實(shí)際應(yīng)用奠定試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)所用材料為一種無(wú)碳化物貝氏體釬桿鋼。試樣材料為國(guó)內(nèi)某廠提供的φ65 mm棒料，試驗(yàn)材料的沖擊韌度試驗(yàn)試樣加工成10×10×55mm標(biāo)準(zhǔn)V型缺口沖擊試樣，拉伸試樣線切割加工成φ14×80 mm圓棒，然后機(jī)械加工成φ6mm標(biāo)準(zhǔn)短拉伸試樣。試驗(yàn)材料力學(xué)性能的熱處理試驗(yàn)和偽滲碳熱處理試驗(yàn)采用箱式電阻加熱。試驗(yàn)材料的常規(guī)正火熱處理工藝為：920℃×10 min正火+200℃回火；偽滲碳及其熱處理工藝一為：加熱溫度為920℃×10h，降溫 880℃正火+200℃回火；偽滲碳及其熱處理工藝二為：920℃×1h，降溫880℃正火+680℃×3h高溫回火+800℃×1h正火+200℃回火。偽滲碳工藝中加熱保溫和降溫過(guò)程沒有碳勢(shì)，進(jìn)行保護(hù)加熱。實(shí)際生產(chǎn)貝氏體鋼滲碳零件的滲碳工藝也分為兩種工藝，如上述的滲碳工藝一和滲碳工藝二，滲碳工藝和偽滲碳試驗(yàn)工藝溫度及時(shí)間參數(shù)完全一致，不同的是，滲碳工藝中滲碳階段保溫過(guò)程碳勢(shì)為0.95%，降溫階段保持碳勢(shì)0.85%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同偽滲碳工藝的力學(xué)性能

表1是不同的熱處理工藝無(wú)碳化物貝氏體釬鋼的力學(xué)性能。從表1可以看出，常規(guī)熱處理無(wú)碳化物貝氏體釬鋼的強(qiáng)度和硬度與偽滲碳熱處理的硬度和強(qiáng)度指標(biāo)差別不大，因此，偽滲碳熱處理試驗(yàn)材料保持較高的強(qiáng)度和硬度，硬度指標(biāo)滿足一般滲碳鋼心部硬度HRC35～45的要求[4]。試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，通過(guò)偽滲碳熱處理可以提高材料的塑性指標(biāo)，特別是斷面收縮率提高幅度較大，偽滲碳熱處理沖擊韌度指標(biāo)和常規(guī)熱處理相比，沖擊韌度值還有所提高，由于材料的沖擊韌度指標(biāo)對(duì)組織的細(xì)化程度比較敏感，因此從材料的力學(xué)性能指標(biāo)來(lái)看，長(zhǎng)時(shí)間加熱的偽滲碳熱處理試驗(yàn)材料的組織并無(wú)過(guò)分粗化，試驗(yàn)材料保持較高的沖擊韌度數(shù)值，工藝二和工藝一相比，在強(qiáng)度指標(biāo)基本相同的情況下，工藝二情況下試驗(yàn)材料更具有良好的塑性和韌性指標(biāo)，這是由于長(zhǎng)時(shí)間加熱，試驗(yàn)材料的成分和組織更加均勻，空冷后獲得更高的塑韌性。

表1 不同的熱處理工藝試驗(yàn)材料的力學(xué)性能

2.2 無(wú)碳化物不同熱處理工藝的組織

圖1是920℃正火+200℃回火熱處理試驗(yàn)材料的X射線衍射圖譜。從圖1中可以看出，920℃正火+200℃回火熱處理試驗(yàn)材料的X射線衍射主要有鐵素體峰和奧氏體峰，無(wú)碳化物峰，說(shuō)明試驗(yàn)材料920℃正火+200℃回火熱處理的物相組織只有鐵素體和殘余奧氏體，因此，正火低溫回火試驗(yàn)材料的組織由貝氏體鐵素體和殘余奧氏體組成，為一種新型無(wú)碳化物貝氏體組織或非典型貝氏體組織[5]。

圖1 920℃正火+200℃回火試驗(yàn)材料的X射線圖譜

圖2 不同熱處理試驗(yàn)材料的組織

圖2是試驗(yàn)材料不同偽滲碳工藝熱處理的金相組織照片。由X射線衍射物相分析可知，不同偽滲碳熱處理后空冷的組織和正火低溫回火組織一致，即為貝氏體和殘余奧氏體組織。由圖2的金相組織圖可以看出，三種熱處理工藝下試驗(yàn)材料的組織為板條狀，920℃空冷+200℃回火組織的板條較細(xì)（圖 2a），工藝一（圖 2b）的板條組織和圖 2a相比，貝氏體鐵素體束有所粗化，板條長(zhǎng)度變化不大。工藝二（圖2c）的偽滲碳金相組織和前兩者組織相比，組織板條明顯細(xì)化，因此偽滲碳工藝二可以細(xì)化試驗(yàn)材料的組織。

2.3 不同滲碳工藝非滲層的金相組織

圖3是試驗(yàn)材料按滲碳工藝一和工藝二進(jìn)行的重型釬桿實(shí)體滲碳熱處理后的非滲碳層（心部）的金相組織。重型釬桿不同的滲碳及其熱處理后空冷，非滲層的組織為貝氏體鐵素體和殘余奧氏體，組織也呈板條狀。圖3（a）為重型釬桿滲碳工藝金相試樣取樣示意圖，試樣取心部非滲層，由圖可見，內(nèi)外滲層清晰可見。圖3（b）重型釬桿按滲碳工藝一實(shí)體取樣的非滲層的金相組織，組織的板條較細(xì)，但板條束較長(zhǎng)。圖3（c）是重型釬桿按滲碳工藝二實(shí)體取樣的非滲層組織，和圖3（b）工藝一進(jìn)行比較，滲碳處理的工藝二，組織也呈板條狀，板條長(zhǎng)度有所減少，板條有所細(xì)化，但板條束有所粗化。兩種工藝非滲層組織均為鐵素體和殘余奧氏體，可以看出，經(jīng)過(guò)滲碳工藝二可以細(xì)化非滲層晶粒和組織，可以提高材料塑韌性。假滲碳工藝一后試樣的晶粒度等級(jí)為7～8級(jí)，假滲碳工藝二晶粒度等級(jí)為8～9級(jí)，通過(guò)假滲碳試驗(yàn)，貝氏體鋼晶粒大傾向較小。

圖3 不同的滲碳工藝釬桿非滲層組織

3 結(jié)論

（1）貝氏體滲碳鋼在兩種偽滲碳及其熱處理工藝下處理材料具有良好的強(qiáng)韌性，偽滲碳及其熱處理工藝下獲得的力學(xué)性能為：σb≥1300MPa，δ5≥12% ，ψ ≥52% ，aKV≥75 J/cm2。偽滲碳工藝二的試驗(yàn)材料在保持較高強(qiáng)度的同時(shí)，更具有較高的塑性和韌性指標(biāo)。

（2）常規(guī)正火低溫回火，偽滲碳及其熱處理試驗(yàn)材料的組織均為貝氏體鐵素體和殘余奧氏體，組織呈板條狀，偽滲碳熱處理試驗(yàn)材料組織沒有出現(xiàn)組織過(guò)分長(zhǎng)大的情況，偽滲碳和滲碳工藝二可以細(xì)化試驗(yàn)材料的組織，提高力學(xué)性能。

[1]內(nèi)藤武志.滲碳淬火實(shí)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985.3.

[2]馮再新,周賢賓，張治民.滲碳材料本構(gòu)關(guān)系的研究方法[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2005，6（3）：1～3.

[3]任向紅，朱金華，李永勝等.三種滲碳鋼中殘余奧氏體在沖擊磨損中的行為 [J].材料熱處理學(xué)報(bào).2008,12（6）：1～3.

[4]程巨強(qiáng).18CrMn2SiMo鋼齒輪滲碳后的組織與性能[J].金屬熱處理，2006，31（12）：40～42.

[5]程巨強(qiáng)，劉志學(xué)，王元輝.無(wú)碳化物貝氏體鋼釬頭組織和性能的研究[J].鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具，2005，1：10～12.

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