馬鞍形滲碳淬火工藝研究

陳進(jìn)磊，張一坤

(太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司，山西 太原 030024)

0 引言

齒輪類產(chǎn)品滲碳淬火方式主要分為三類，即滲碳直接淬火、滲碳一次淬火和滲碳二次淬火。對(duì)大型礦用挖掘機(jī)等上的關(guān)鍵齒輪類部件來說，使用要求是耐重載、抗持久交變疲勞，其失效形式主要表現(xiàn)為齒部滲碳層剝落和點(diǎn)蝕。為實(shí)現(xiàn)良好的使用性能，我們希望其微觀組織具有較好的組織結(jié)構(gòu)。通過采用滲碳一次淬火，可以得到優(yōu)良性能的細(xì)針馬氏體和少量的殘余奧氏體；但在實(shí)踐生產(chǎn)中其升降溫階段的時(shí)間長、能耗大，造成成本高，效率低下；且由于升降溫的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，會(huì)加劇零件的熱處理變形。因此如何在保證熱處理產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上，提高工作效率、降低生產(chǎn)成本，是滲碳淬火工藝需重點(diǎn)解決的問題。

1 各種滲碳淬火工藝原理介紹

滲碳材料一般選用本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，隨滲碳時(shí)間增長，硬化層厚度在1.2 mm以內(nèi)基本沒有晶粒長大趨勢(shì)，超過1.2 mm有長大傾向，在超過2.0 mm以后過溶飽和的晶粒逐步吞噬周邊晶粒，形成明顯長大趨勢(shì)；在后期淬火過程中，如果未能使已溶碳元素充分析出，使晶粒再變細(xì)化，將使馬氏體組織針長過長，造成微觀組織不穩(wěn)定，使得宏觀使用性能大大降低，造成疲勞點(diǎn)蝕和剝落。因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中，針對(duì)滲層較淺的產(chǎn)品可以采用滲碳直接淬火工藝，但對(duì)于重載深滲層要求的產(chǎn)品一般采用滲碳一次淬火。

2 滲碳直接淬火和滲碳一次淬火工藝試驗(yàn)

我們對(duì)上述兩種工藝進(jìn)行工藝試驗(yàn)，研究適用于不同硬化層深度的淬火方式。本公司關(guān)鍵產(chǎn)品齒輪類材料為17CrNiMo6，樣塊規(guī)格為Φ100 mm×100 mm仿齒形，預(yù)備熱處理為調(diào)質(zhì)處理，硬度為HB217～HB255,晶粒度≥6級(jí)。滲碳淬火技術(shù)要求：馬氏體及殘奧、碳化物、心部組織為1級(jí)～3級(jí)，表面硬度為HRC58～HRC62；檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為JB/T6141.3—1992和GB/T9450—2005。試驗(yàn)設(shè)備為多功能滲碳試驗(yàn)爐，介質(zhì)為德潤寶快速淬火油。

2.1 滲碳后直接淬火工藝

我們對(duì)硬化層分別為1.5 mm、1.8 mm、2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm進(jìn)行試驗(yàn)，每種硬化層檢測(cè)3個(gè)試樣。工藝試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，典型金相照片如圖1和圖2所示。

表1 滲碳后直接淬火工藝試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)硬化層≤2.0 mm時(shí)，晶粒未明顯長大，直接淬火后金相組織等均滿足技術(shù)要求；當(dāng)硬化層>2.0 mm時(shí)，晶粒長大趨勢(shì)明顯，直接淬火后馬氏體針粗大，出現(xiàn)級(jí)別超差。

2.2 滲碳后一次淬火工藝

結(jié)合滲碳后直接淬火工藝試驗(yàn)結(jié)果，我們對(duì)滲碳層2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm進(jìn)行了滲碳后一次淬火工藝試驗(yàn)，每種硬化層檢測(cè)3個(gè)試樣。工藝試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，典型金相照片如圖3、圖4所示。

工藝試驗(yàn)結(jié)果表明：滲碳后降至室溫重新升溫至淬火溫度的過程，碳元素從鐵元素的晶格中析出，形成彌散碳化物，從而淬火時(shí)形成的奧氏體中碳含量降低，過冷奧氏體穩(wěn)定性降低，從而使其轉(zhuǎn)變馬氏體更加充分；并且彌散形成的碳化物在淬火過程中起到釘扎阻礙馬氏體長大的作用，馬氏體針長趨于細(xì)小；重新升溫到達(dá)820 ℃組織奧氏體化，晶粒重新形成，彌散的碳化物促使奧氏體晶粒的異晶形成，故淬火馬氏體針細(xì)小且殘余奧氏體含量少。

圖1 硬化層≤2.0 mm馬氏體及殘奧金相照片(500×) 圖2 硬化層>2.0 mm馬氏體及殘奧金相照片(500×)

表2 滲碳后一次淬火工藝試驗(yàn)結(jié)果

圖3 滲碳后一次淬火馬氏體及殘余奧氏體金相照片(500×) 圖4 滲碳后一次淬火心部組織金相照片(500×)

3 馬鞍形滲碳淬火工藝

3.1 馬鞍形滲碳淬火工藝原理

滲碳后一次淬火細(xì)化晶粒主要有兩個(gè)原因：一是在升降溫過程600 ℃～700 ℃時(shí)碳化物由晶格中析出和溶融，形成彌散性碳化物，可阻礙淬火時(shí)馬氏體針的長大，且碳化物析出后可降低淬火后殘余奧氏體含量；二是晶粒由珠光體的平衡組織重新形核奧氏體化形成細(xì)密的奧氏體組織，經(jīng)淬火后得到優(yōu)良性能的細(xì)針馬氏體。我們從該理論基礎(chǔ)上提出了一種工藝改進(jìn)方法，即滲碳后降溫至600 ℃～700 ℃，使?jié)B碳后奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w且使細(xì)小碳化物析出晶格，在達(dá)到細(xì)化組織的同時(shí)不降至室溫出爐，只由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w和滲碳體時(shí)繼而升溫淬火的滲碳淬火工藝。該工藝前部分為高溫滲碳，后部分為高溫淬火，中間為低溫段，如同馬鞍形，故名馬鞍形滲碳淬火工藝。

3.2 馬鞍形滲碳淬火工藝試驗(yàn)

馬鞍形工藝可分為兩種類型：①滲碳后降溫至600 ℃～650 ℃后升溫至820 ℃左右保溫淬火；②滲碳后降溫至650 ℃～680 ℃進(jìn)行保溫球化，根據(jù)球化經(jīng)驗(yàn)，一般為4 h左右。我們分別對(duì)兩種類型進(jìn)行工藝試驗(yàn)，并與一次淬火工藝做對(duì)比。兩種工藝形式均進(jìn)行7爐次試驗(yàn)，本公司關(guān)鍵齒輪類產(chǎn)品的硬化層以3.5 mm居多，故馬鞍形工藝試驗(yàn)以硬化層3.5 mm為基準(zhǔn)。

3.2.1 滲碳后無球化淬火

將試樣分7爐次進(jìn)行滲碳，隨爐冷卻至660 ℃不保溫升至淬火溫度保溫后淬火，工藝曲線如圖5所示。圖5中，Cp為碳濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))?；鼗鸷髾z測(cè)表面硬度和金相組織，如表3和圖6、圖7所示。

圖5 滲碳后無球化工藝曲線

表3 滲碳后無球化工藝試驗(yàn)結(jié)果

圖6 滲碳后無球化淬火馬氏體及殘余奧氏體金相照片(500×) 圖7 滲碳后無球化淬火心部組織金相照片(500×)

3.2.2 滲碳后有球化淬火

將試樣分7爐次進(jìn)行滲碳，冷卻到660 ℃時(shí)保溫4 h后升溫至820 ℃保溫后淬火，淬火后進(jìn)行回火，工藝曲線如圖8所示?；鼗鸷髾z測(cè)表面硬度和金相組織，如表4和圖9、圖10所示。

圖8 馬鞍型有球化工藝曲線

表4 馬鞍型有球化工藝試驗(yàn)結(jié)果

圖9 馬鞍型有球化工藝馬氏體及殘余奧氏體金相照片(500×)圖10 馬鞍型有球化工藝心部組織金相照片(500×)

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)論及理論分析

滲碳后降溫至660 ℃進(jìn)行保溫球化后組織滿足1級(jí)～3級(jí)，該工藝對(duì)比滲碳一次淬火工藝，滲碳一次淬火組織偏優(yōu)；而滲碳后降溫至660 ℃不保溫球化升溫淬火工藝的硬度指標(biāo)、心部組織和碳化物均滿足工藝要求，馬氏體及殘奧不符合要求。

分析原因如下：

(1) 滲碳后降溫?zé)o球化重新升溫至820 ℃重新奧氏體，該工藝雖然使晶粒重新形核長大，但奧氏體化保溫時(shí)間內(nèi)晶粒繼續(xù)長大，且由于晶粒內(nèi)碳未析出，碳含量偏高，造成淬火馬氏體針偏大且殘余奧氏體含量較高，難以滿足技術(shù)要求1級(jí)～3級(jí)。

(2) 滲碳后降溫至660 ℃進(jìn)行球化工藝，球化過

程碳元素從鐵元素的晶格中析出，形成彌散碳化物，從而淬火時(shí)形成的奧氏體中碳含量降低，過冷奧氏體穩(wěn)定性降低，從而使其轉(zhuǎn)變馬氏體更加充分；并且彌散形成的碳化物在淬火過程中起到釘扎阻礙馬氏體長大的作用，馬氏體針長趨于細(xì)??；從而改善馬氏體與殘余奧氏體；重新升溫到達(dá)820 ℃組織奧氏體化，晶粒重新形成，彌散的碳化物促使奧氏體晶粒的異晶形成，奧氏體化高溫下保溫時(shí)間短，晶粒長大不明顯，淬火形成馬氏體針較小較細(xì)且殘余奧氏體含量少。

(3) 滲碳一次淬火工藝是降至室溫重新升溫，在此過程中球化組織轉(zhuǎn)變更為充分，后續(xù)淬火升溫時(shí)的奧氏體形核點(diǎn)更多且對(duì)馬氏體長大的扎阻效果更有效，因此較馬鞍形工藝來講，滲碳后一次淬火組織偏優(yōu)。

3.2.4 馬鞍形滲碳淬火工藝經(jīng)濟(jì)效益

馬鞍形滲碳淬火工藝在節(jié)能減排等方面取得良好的效果，以裝料尺寸為Φ2 m×3 m井式滲碳爐為例，功率為560 kW，該爐滲碳出爐溫度為550 ℃，自660 ℃降溫至550 ℃約15 h，該階段不加熱，通氮?dú)饬髁繛? m3/h；重新升溫淬火時(shí)升至660 ℃約5 h，該階段功率升溫，通氮?dú)饬髁繛? m3/h；馬鞍型工藝每爐次降低氮?dú)庥昧繛?20 m3，節(jié)約電能為2 800度/爐；同時(shí)馬鞍型工藝與一次淬火相比較，生產(chǎn)時(shí)間中滲碳爐升降溫時(shí)間縮短了約20 h，每爐次節(jié)約時(shí)間共計(jì)約34 h。

4 結(jié)論

(1) 對(duì)于≤2.0 mm的硬化層，由于滲碳時(shí)間短，本質(zhì)細(xì)晶粒鋼沒有明顯長大，建議采用直接淬火工藝，在保證產(chǎn)品使用要求的前提下，提高效率，減少能耗。

(2) 對(duì)于>2.0 mm的硬化層，馬氏體及殘奧和心部的金相組織要求更為嚴(yán)格的，根據(jù)具體的技術(shù)要求，建議采用滲碳后一次淬火。

(3) 對(duì)于>2.0 mm的硬化層，由于滲碳時(shí)間增加，本質(zhì)細(xì)晶粒鋼長大趨勢(shì)增大，建議采用馬鞍形滲碳淬火工藝，減少降溫升溫時(shí)間，可以有效改善滲碳后的粗大奧氏體，在保證產(chǎn)品使用要求的前提下，提高效率，減少能耗，有效控制變形。