20CrMnMo鋼深層滲碳工藝的探究*

張誠，楊杰，康冬偉

(寧夏天地西北煤機(jī)有限公司，寧夏 石嘴山 753000)

0 引言

逆止器是大型帶式輸送機(jī)制動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，其內(nèi)外圈表面硬度、耐磨性和承載能力是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。由于內(nèi)、外圈有效厚度較大，綜合性能要求較高，大型逆止器直徑高達(dá)2 m多，工件有效厚度≥120 mm，用普通熱處理方法進(jìn)行處理時，金相組織、硬度、變形量始終達(dá)不到技術(shù)要求，臺階處應(yīng)力比較集中，容易產(chǎn)生裂紋。

深層滲碳可以有效改善上述現(xiàn)象，滿足設(shè)計要求。所謂深層滲碳是指滲層深度大于3.5 mm以上的滲碳，它可以極大地改善鋼的力學(xué)性能，特別是疲勞強(qiáng)度和耐磨性有明顯提高[1]。深層滲碳與普通滲碳相比，深層滲碳技術(shù)難度要大的多。由于深層滲碳工藝周期達(dá)幾十甚至上百小時，故對滲碳設(shè)備和工藝提出了相當(dāng)苛刻的要求。深層滲碳須具備穩(wěn)定的滲碳爐系統(tǒng)，合理的深層滲碳工藝體系，以及有效的變形控制和開裂預(yù)防措施。

本文通過不斷試驗探究，形成了一套完整的深層滲碳質(zhì)量控制體系，通過工業(yè)性試驗驗證，已成功地應(yīng)用到NJ09、NJ25等逆止器上。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

選用優(yōu)質(zhì)滲碳鋼20CrMnMo，逆止器內(nèi)圈尺寸為φ230 mm×290 mm～φ370 mm×290 mm，外圈尺寸為φ460 mm×170 mm～φ600 mm×170 mm。隨爐試塊φ110mm×110mm兩塊，用于性能檢測。

20CrMnMo屬于優(yōu)質(zhì)滲碳鋼，具有較高淬透性，韌脆轉(zhuǎn)變溫度低，其化學(xué)成分如表1所示。

1.2 試驗方法

采用NL03-501型多用爐進(jìn)行滲碳處理，通過工控機(jī)控制碳勢、溫度、保溫時間等參數(shù)，滲碳載氣為丙酮+甲醇。采用MM6金相顯微鏡觀察金相組織，用HV-1000Z自動轉(zhuǎn)塔顯微硬度計測定顯微硬度。

表1 試驗用鋼的化學(xué)成分 %

1.3 逆止器內(nèi)外圈對滲碳層質(zhì)量的要求

滲碳淬火后表面及心部硬度要求：表面58～63HRC，心部 ：33～48HRC，有效硬化層在4 mm以上。滲層組織達(dá)到技術(shù)要求(按GB/T 28694—2012執(zhí)行)：碳化物級別達(dá)1～3級，馬氏體和殘余奧氏體達(dá)1～4級，心部鐵素體的級別達(dá)1～4級。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 滲碳溫度的選擇

滲碳溫度是決定滲碳速度的主要因素，當(dāng)滲碳層要求一定時，提高滲碳溫度，可使?jié)B碳時間縮短,表面碳濃度增大，滲層深度加厚，但高溫滲碳對深層滲碳來說不宜采用。逆止器內(nèi)外圈長時間停留在較高溫度，會使晶粒粗化，變形畸變較大。有資料顯示，一般情況下，含Mo的鋼阻礙晶粒長大的能力比不含Mo的鋼強(qiáng)，一般在960 ℃甚至1 000 ℃以上才出現(xiàn)晶粒粗大現(xiàn)象，但20CrMnMo滲碳時表面易形成網(wǎng)狀碳化物，且長時間高溫?zé)崽幚韺⒖s短設(shè)備的使用壽命[2]。綜合考慮，滲碳溫度選擇920 ℃。

2.2 爐內(nèi)碳勢的控制

爐內(nèi)碳勢增加，使得氣氛碳濃度與工件間碳濃度差增大，有利于提高滲碳速度，在較短時間內(nèi)獲得深的滲層。但爐內(nèi)碳勢增加太多,會導(dǎo)致鋼表面的活性碳原子來不及吸收，在工件表面沉積，形成大量碳黑，阻礙活性碳原子的進(jìn)一步滲入，從而降低了滲碳速度。因此，為保證滲層質(zhì)量，應(yīng)選擇適當(dāng)碳濃度控制(見滲碳工藝)。

2.3 工藝路線設(shè)計

1)常規(guī)深層滲碳工藝路線為滲碳→球化退火→二次淬火→回火，如圖1所示。

2) 擴(kuò)散滲碳工藝路線為滲碳→淬火→回火，如圖2所示。

在深層滲碳中增加梯度碳濃度強(qiáng)滲和擴(kuò)散過程，可有效地降低零件表面的碳濃度，使?jié)B層表面的碳濃度適當(dāng)降低，使奧氏體中碳原子的濃度也隨之降低，防止碳濃度超過規(guī)定的臨界值。與普通深層滲碳工藝相比，920°進(jìn)行梯度碳濃度分段強(qiáng)滲，碳化物不會急劇增長，然后進(jìn)行分段梯度碳濃度擴(kuò)散，零件表面的碳濃度可以得到有效的控制，碳化物溶解的驅(qū)動力也能夠得到保證。如此一來，零件的碳濃度能夠有效擴(kuò)散，滲碳層又不會出現(xiàn)大的網(wǎng)狀和塊狀碳化物，滲層質(zhì)量較好。

(a)

(b)

(c)

2.4 金相檢驗

滲層為3.5 mm的試塊金相組織，如圖3所示。圖3中的4種圖譜為滲層到心部的金相組織圖譜，其中滲層部分為高碳的針狀馬氏體和少量碳化物，心部組織為低碳板條馬氏體。

滲層為4.5 mm的試塊金相組織如圖4所示。圖4中4種圖譜為滲層到心部的金相組織圖譜，其中滲層部分為高碳的針狀馬氏體和少量碳化物，心部組織為低碳板條馬氏體，由于滲碳時間相對較長，心部組織明顯較滲層3.5 mm的試塊粗大。

2.5 滲層硬度分布

φ110 mm×110 mm試塊顯微硬度對比曲線如圖5所示。滲層為3.5 mm時，滲層硬度最高為671.6HV0.2，心部硬度為412.1HV0.2；滲層為4.5 mm時，滲層硬度最高為817.5HV0.2，心部硬度為432HV0.2。

圖2 擴(kuò)散滲碳工藝圖

(a)滲層組織(×100)

(b)心部組織(×500)

(c)滲層組織(×500)

(d)心部組織(×500)

(a)滲層組織(×100)

(b)心部組織(×500)

(c)滲層組織(×500)

(d)心部組織(×500)

圖5 φ110 mm×110 mm試塊顯微硬度曲線

2.6 滲碳變形量

表2為逆止器內(nèi)、外圈滲碳變形量。由表2可知，當(dāng)內(nèi)徑尺寸小于300 mm時，按圖紙尺寸的0.7%留余量；當(dāng)內(nèi)徑尺寸為300～500 mm時，按圖紙尺寸的0.5%留余量；內(nèi)徑尺寸大于500 mm時，按圖紙尺寸的0.35%留余量， 外徑按圖紙尺寸的0.08%～0.15%留余量。

表2 逆止器內(nèi)、外圈滲碳變形量 mm

3 結(jié)論

1)針對20CrMnMo大型零件深層的滲碳，梯度碳濃度深層滲碳技術(shù)工藝布局合理，工藝安全性高。

2)梯度碳濃度深層滲碳工藝比普通兩段式滲碳，縮短整個熱處理時間，由原來的95 h縮短至68.5 h，工序減少，更能有效地改善碳化物的分布形態(tài)。

3)梯度碳濃度深層滲碳工藝滿足，逆止器內(nèi)外圈滲碳要求，且滲碳變形量小，質(zhì)量更穩(wěn)定。

4)梯度碳濃度深層滲碳工藝較為復(fù)雜，碳勢的精確控制也較困難，因此表面的碳含量和滲層深度都可能存在差異，有待于進(jìn)一步研究。