冷處理對15CrNi4MoA鋼滲碳淬火組織及性能的影響

陶鳳云 劉繼全

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618013)

15CrNi4MoA鋼滲碳后具有高的表面硬度、耐磨性和接觸疲勞強度，而心部碳含量低，韌性好，可承受高沖擊載荷，一般用于制作耐沖擊載荷的大中型軸承、軸等滲碳件。十字萬向接軸是軋機生產(chǎn)線領(lǐng)域的重要傳動產(chǎn)品，由于軋制力矩大、沖擊載荷頻繁、沖擊載荷巨大等特點，對接軸的要求非常高，特別是在運行平穩(wěn)性和壽命方面，而十字軸作為接軸中的核心零件，其產(chǎn)品質(zhì)量直接影響萬向節(jié)的使用壽命。公司生產(chǎn)的十字軸零件材料為15CrNi4MoA，要求滲碳淬火硬度58～62HRC，隨爐試棒心部力學(xué)性能應(yīng)達到Rp0.2≥950 MPa，A≥12%，KU2≥100 J。主要存在的問題是十字軸材料屬于高Ni滲碳鋼，Ni元素可以提高材料的淬透性，提高材料的沖擊韌性等，但是Ni元素擴大奧氏體區(qū)，尤其是表面滲碳后，碳濃度增加，馬氏體轉(zhuǎn)變Ms點急劇降低，造成淬火后滲碳層殘余奧氏體過多，從而導(dǎo)致十字軸滲碳淬火后表面硬度偏低，硬度普遍為55～58HRC，無法滿足技術(shù)要求。

為解決滲碳淬火十字軸硬度偏低問題，公司進行了一系列的滲碳淬火工藝優(yōu)化[1]，并進行了滲碳淬火后的液氮浸泡式深冷工藝試驗，經(jīng)深冷后零件表面硬度顯著提高，但浸泡式深冷工藝處理溫度過低，為-196℃，每次消耗液氮量極大，成本極高，且深冷工序?qū)?5CrNi4MoA鋼表層組織和心部性能的影響尚不明確，現(xiàn)有的技術(shù)資料缺乏相關(guān)的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。因此，為更進一步全面解決十字軸硬度和組織問題，需進行15CrNi4MoA鋼冷處理工藝技術(shù)研究，對比不同處理工藝對15CrNi4MoA鋼滲碳淬火表層組織和心部性能的影響，形成最優(yōu)的十字軸滲碳淬火工藝方案，這對于提高十字軸產(chǎn)品質(zhì)量，降低滲碳淬火工序冷處理成本，具有重要的實際生產(chǎn)意義。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料及制備

試驗材料為正火狀態(tài)的15CrNi4MoA鋼試棒，化學(xué)成分見表1。

表1 15CrNi4MoA鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of 15CrNi4MoA steel (mass fraction, %)

將15CrNi4MoA鋼試棒制成?30 mm×200 mm、?50 mm×200 mm、?100 mm×400 mm、?200 mm×400 mm、?300 mm×400 mm五種尺寸的試件。

1.2 試驗方法

將?30 mm試件用于“同一滲碳淬火工藝和不同冷處理溫度”的工藝試，共采用四種工藝處理方式，包括不冷處理和在-60℃、-110℃、-196℃三種低溫冷處理。將?50 mm試件用于“同一冷處理溫度和不同狀態(tài)冷處理”的工藝試驗，共采用三種工藝處理方式，包括冷處理前不回火、冷處理前回火和兩次冷處理。將?100 mm×400 mm、?200 mm×400 mm、?300 mm×400 mm試件用于工件等效截面的大截面試件的試驗，比較經(jīng)不同工藝方法和同一冷處理條件下的滲碳層有效硬化層深度和金相組織，根據(jù)對小試件的冷處理試驗結(jié)果，進一步采用三種工藝方案作滲碳淬火全工序流程的工藝試驗比較，工藝方案的區(qū)別在于滲碳后是否進行球化退火與冷處理前是否回火。

1.3 試驗用冷處理設(shè)備

試驗過程中，試件的冷處理采用專用深冷箱設(shè)備，設(shè)備尺寸1200 mm×1200 mm×2200 mm，冷處理介質(zhì)為液氮，冷處理溫度可在設(shè)備工作溫度即常溫至-196℃范圍內(nèi)任意設(shè)定，設(shè)備能實現(xiàn)溫度段的自動控制。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 ?30 mm試件工藝試驗

將?30 mm×200 mm的試樣(標(biāo)記A)隨產(chǎn)品件一批滲碳淬火，并對試樣分別進行不同低溫(-60℃、-110℃、-196℃)處理，熱處理工藝方案見表2。不同工藝方案處理后的金相組織見圖1，心部性能檢測結(jié)果見表3，其中沖擊吸收能量值為每組的平均值，滲碳層表面硬度和硬化層深度檢測結(jié)果見表4。

表2 ?30 mm試件工藝方案Table 2 Process plan of ?30 mm test piece

圖1 ?30 mm試件不同工藝方案處理后的滲碳層金相組織Figure 1 Microstructure of carburizing layer of ?30 mm test piece treated by different process plans

表3 ?30 mm試件心部性能檢驗結(jié)果Table 3 Core performance test results of ?30 mm test piece

表4 ?30 mm試件不同工藝方案處理后滲碳層的表面硬度和硬化層深度Table 4 Surface hardness of carburizing layer and depth of hardening layer of ?30 mm test piece treated by different process plans

從圖1中試件在常溫和不同冷處理溫度下的金相組織比較可見，常規(guī)滲碳淬火后，表層滲碳層金相組織中有大量殘余奧氏體，而經(jīng)-60℃和-110℃的冷處理以及-196℃的深冷處理后，殘余奧氏體發(fā)生了不同程度的馬氏體轉(zhuǎn)變，并析出不同量的彌散碳化物，其中經(jīng)-110℃冷處理后組織明顯細化，而經(jīng)-196℃深冷處理后可見細小并增多的碳化物顆粒[2-3]。

從表3可以看到，經(jīng)冷處理后，心部強度發(fā)生了降低，而沖擊吸收能量均得到了提高，其中-110℃的冷處理溫度下，沖擊吸收能量最高，而斷后伸長率和斷面收縮率受冷處理影響的變化幅度不大。從表4可見，未冷處理前，試件表面硬度僅54～56HRC，經(jīng)冷處理后表面硬度均有提高，其中經(jīng)-110℃冷處理和-196℃深冷處理后表面硬度均達到60HRC以上，表面硬度的提高與殘余奧氏體發(fā)生分解產(chǎn)生馬氏體有著直接關(guān)系。從表層滲碳層硬化層深度比較可見：同爐滲碳處理的試件，經(jīng)冷處理后的硬化層深度比未經(jīng)冷處理的可提高約0.2～0.35 mm的層深。

從?30 mm試件不同工藝方案下的力學(xué)性能、金相組織和硬度的比較情況可以看出，采用-110℃和-196℃溫度下進行處理均可滿足滲碳淬火要求，但采用-196℃的深冷溫度，生產(chǎn)成本更高，因此選用“滲碳+淬火+回火+冷處理(-110℃)+回火”的工藝方法更優(yōu)。

2.2 ?50 mm試件工藝試驗

根據(jù)有關(guān)文獻資料，回火工藝順序及回火次數(shù)對冷處理效果也有一定的影響[4]，因此，將?50 mm×200 mm的試樣(標(biāo)記B)隨產(chǎn)品件一批滲碳淬火，對試件B進行不同熱處理工藝方案但冷處理溫度相同(-110℃)的工藝試驗，見表5。不同工藝方案處理后的心部性能檢測結(jié)果見表6。

表5 ?50 mm試件工藝方案Table 5 Process plan of ?50 mm test piece

表6 ?50 mm試件芯部性能檢驗結(jié)果Table 6 Core performance test results of ?50 mm test piece

從性能結(jié)果比較可見：在相同的-110℃冷處理溫度下，冷處理前不回火的強度值比經(jīng)過回火的強度值高，但斷后伸長率和斷面收縮率略低，沖擊吸收能量沒有明顯差異，而經(jīng)過兩次冷處理+回火后，沖擊吸收能量大幅降低。根據(jù)十字軸的使用工況，并結(jié)合上述心部性能檢測結(jié)果，驗證了試件經(jīng)-110℃冷處理后，心部性能仍能夠滿足設(shè)計性能要求，且回火后冷處理能使表層滲碳層硬度較低的奧氏體變?yōu)檩^硬的、更穩(wěn)定的、耐磨性和抗熱性更高的馬氏體[4]，經(jīng)優(yōu)選采用“滲碳+淬火+回火+冷處理(-110℃)+回火”的工藝方法，且采用一次冷處理即可。

2.3 對?100、?200和?300mm大試件采用三種工藝方法的試驗比較

為進一步驗證大截面產(chǎn)品件在不同工藝方法下和同一冷處理條件下的滲碳層有效硬化層深度和金相組織區(qū)別，將與十字軸工件等效截面的三種大截面試件?100 mm×400 mm的試樣(標(biāo)記C)、?200 mm×400 mm的試樣(標(biāo)記D)和?300 mm×400 mm的試樣(標(biāo)記E)各三件分別進行滲碳淬火全工藝流程試驗，滲碳層的層深要求：4.6 mm+1.5 mm，表面硬度要求58～62HRC，金相組織要求表層碳化物，馬氏體和殘余奧氏體均≤2級，具體工藝流程按表7三種工藝方法執(zhí)行，其熱處理工藝曲線如圖2所示。按三種工藝方法處理后的金相組織如圖3所示，表層滲碳層顯微硬度和硬化層深度檢測結(jié)果見表8。

圖3 大截面試件經(jīng)不同工藝方法處理后的金相組織比較(500×)Figure 3 Comparison of microstructure of large sectionspecimens treated by different process methods (500×)

表7 大截面試件的三種試驗方案Table 7 Three test schemes for large section specimens

表8 大截面試件經(jīng)不同工藝方法處理后的表層滲碳層顯微硬度和硬化層深度Table 8 The microhardness of surface carburizing layer and the depth of hardening layer of large section specimens treated by different process methods

從圖3可見，對于不同直徑的大截面試件的試樣進行橫向比較，即比較同一截面直徑不同工藝方法的檢測結(jié)果，工藝方法3(試樣C3、D3、E3)滲碳后經(jīng)過球化退火處理，同時深冷前進行了回火，檢測滲碳層金相組織整體最優(yōu)，工藝方法1(深冷前未回火的試樣C1、D1、E1)的組織次之，工藝方法2(未球化退火的試樣C2、D2、E2)的組織略差。對于標(biāo)記為C的?100 mm×400 mm的試樣，C1和C3差異不明顯，而C2則略差。對標(biāo)記為D和E的更大截面試件，D3的金相組織明顯優(yōu)于D2，因D3的馬氏體針更細小沒有呈現(xiàn)出位向性，D2的馬氏體針具有明顯的位向性，D3比D2從馬氏體中析出更細小彌散的碳化物，形成彌散強化；同理，E3亦優(yōu)于E2，但經(jīng)冷處理后，總體均能達到技術(shù)要求。對所取試樣進行縱向比較，即對同一工藝方法的不同截面試樣進行比較，試樣截面尺寸越小，組織越好，圖3中編號為C的?100 mm試樣滲碳層金相組織總體優(yōu)于編號為D和E的試樣，其中C3最優(yōu)。

從表8中滲碳層硬化層深度可見，經(jīng)-110℃冷處理后，各試樣的表面硬度均得到了顯著提高，表層最高硬度均達到了690HV以上。比較硬化層深度測試結(jié)果可以看出：不同工藝方法下的不同截面尺寸對硬化層深度影響不大，試樣硬化層深度為4.79～5.04 mm，在允許的偏差范圍內(nèi)。

綜上可見，十字軸滲碳淬火工序，最優(yōu)的熱處理工藝順序為：滲碳+球化退火+淬火+回火+冷處理(-110℃)+回火，工藝曲線示意圖如圖2(c)所示。

3 結(jié)論

(1)15CrNi4MoA鋼在常規(guī)滲碳淬火后增加-110℃溫度下的冷處理，可使表層滲碳層深度范圍內(nèi)的殘余奧氏體分解產(chǎn)生馬氏體，并促進碳化物析出，從而細化滲碳層顯微組織，提高滲碳淬火表面硬度，達到60HRC以上，并提高材料的心部沖擊韌性。

(2)15CrNi4MoA鋼經(jīng)不同的低溫處理后，材料心部的沖擊韌性均得到提高；在相同的-110℃冷處理溫度下，15CrNi4MoA鋼采用一次冷處理的心部性能優(yōu)于二次冷處理；冷處理前回火與否對心部性能影響不大，但冷處理前進行了中間回火工序的試件，其表層滲碳層的金相組織優(yōu)于中間未回火的試件。

(3)15CrNi4MoA鋼十字軸等效截面試件，經(jīng)“滲碳+球化退火+淬火+回火+冷處理(-110℃)+回火”工藝流程后，滲碳層表面硬度得到顯著提高，硬化層深度增加，金相組織最優(yōu)，達到了各項技術(shù)指標(biāo)要求，大幅提高了十字軸產(chǎn)品質(zhì)量。