20MnCr5HHA材料殘余奧氏體含量控制的研究

楊 揚，車永平，李 陽

(陜西法士特汽車傳動集團有限責任公司，陜西 西安 710119)

1 滲碳淬火及殘余奧氏體

近年來，滲碳淬火已經成為重載齒輪的主導熱處理工藝。由于滲碳處理只能使工件表層碳含量提高，并不能直接形成高硬度的化合物層和擴散層，因此滲碳后的工件必須進行淬火+低溫回火，使齒輪的滲碳層組織轉變?yōu)楦咛蓟鼗瘃R氏體+少量殘余奧氏體+可能存在的顆粒碳化物，才能使齒輪深層表面獲得較高的硬度和較強的抗磨損能力[1-3]。

適量的殘余奧氏體，能提高滲層的韌度、接觸疲勞強度，以及改善嚙合條件，擴大接觸面積。但殘余奧氏體過量，常會伴隨著馬氏體針狀組織粗大，導致表層硬度下降，降低耐磨性。

2 20MnCr5HHA材料

20MnCr5HHA為歐洲標準材料，屬Cr-Mn系鋼材，在低碳合金鋼中屬于中高淬透性材料，常用于齒輪及軸類零件。其主要化學成分見表1。

表1 20MnCr5HHA材料化學成分(質量分數，%)Table 1 Chemical composition of 20MnCr5HHA material(mass fraction，%)

由于成分中Cr、Mn元素含量較高，而Cr、Mn元素均會增加奧氏體的穩(wěn)定性，導致滲碳淬火后零件殘余奧氏體含量較多，影響零件性能。目前，陜西法士特汽車傳動集團有限責任公司將20MnCr5HHA材料應用于部分出口件、S變速箱零件、CVT零件等。在與國外公司的交流合作中，通過對國外的熱處理標準進行解讀，發(fā)現(xiàn)對工件殘余奧氏體含量要求不盡相同，要求殘余奧氏體最大值上至48%，下至15%。工件應用領域不同，對于殘余奧氏體含量要求不同，而要求的殘余奧氏體含量越低，對熱處理工藝的要求就越高。目前，已接到國外新品訂單要求殘余奧氏體≤15%。本文通過研究不同熱處理工藝下20MnCr5HHA材料的殘余奧氏體含量，分析了不同工藝條件下殘余奧氏體含量的影響因素，最終控制殘余奧氏體含量，達到國外客戶的要求。

3 熱處理工藝選擇及殘余奧氏體含量測定

常用熱處理工藝為滲碳后直接淬火，再低溫回火。一般合金鋼淬火加熱溫度為Ac1或Ac3+(30～50)℃，淬火加熱溫度通常根據鋼的相變臨界點來確定。對于亞共析鋼采用Ac3+(30～50)℃，對于共析鋼或過共析鋼采用Ac1+(30～50)℃。

采用Kasatkin提出的經驗公式計算20MnCr5HHA材料的Ac1、Ac3溫度，公式如下：

Ac1=723-7.08Mn+37.7Si+18.1Cr+44.2Mo+8.95Ni+50.1V+21.7Al+3.18W+297S-830N-11.5CSi-14.0MnSi-3.10SiCr-57.9CMo-15.5MnMo-5.28CNi-6.0MnNi+6.77SiNi-0.80CrNi-27.4CV+30.8MoV-0.84Cr2-3.64Mo2-0.46Ni2-28V2

Ac3=912-370C-27.4Mn+27.3Si-6.35Cr-32.7Ni+95.2V+190Ti+72.1Al+64.5Nb+5.57W+332S+276P+485N-900B+16.2CMn+32.3CSi+15.4CCr+48.0CNi+4.32SiCr-17.3SiMo-18.6SiNi+4.80MnNi+40.5MoV+174C2+2.46Mn2-6.86Si2+0.322Cr2+9.90Mo2+1.24Ni2-60.2V2

將如表2所示的試驗批次材料的合金元素含量代入公式計算，Ac1約為743 ℃，Ac3約為830 ℃。由于零件滲碳后，滲碳層碳含量約為0.80%～0.90%，按經驗公式計算，Ac1約為740 ℃。

表2 試驗批次20MnCr5HHA材料主要化學元素含量(質量分數，%)Table 2 Main chemical element content of test batch 20MnCr5HHA material(mass fraction，%)

20MnCr5HHA材料碳含量為0.17%～0.22%，屬于亞共析鋼，但滲碳后表層碳含量約為0.80%～0.90%，滲層已達到過共析鋼的狀態(tài)，按其滲層狀態(tài)，理論淬火溫度為780～800 ℃。由于其淬火前在熱處理爐內有一個淬火轉移過程，使得部分熱量損失，造成工件溫度降低，因此考慮將淬火溫度上調，最終確定淬火溫度為810～840 ℃。同時為控制殘余奧氏體含量，需控制滲碳層中碳元素的質量分數，適量降低滲碳氣體碳勢和滲碳溫度，減少溶入奧氏體中的碳量。

殘余奧氏體等級的判定標準，常用的方法為圖譜法，即在一定的放大倍數下，將不同殘余奧氏體含量的金相圖譜典型照片作為參照標準，進行不同級別殘余奧氏體的分級。本研究從殘余奧氏體含量為10%開始，每5%一個階梯，組織按A～G級設立金相圖譜，使用金相法進行組織比對。要求殘余奧氏體最大含量為30%，即E級。

同時，采用圖像分析儀法計算殘余奧氏體的含量。即在一定的腐蝕條件下，根據殘余奧氏體與馬氏體之間的色差，利用專業(yè)軟件進行圖像分析，按照灰度差或色差區(qū)分出不同組織，根據選定區(qū)域的組織占比計算出殘余奧氏體的含量。

4 熱處理試驗

考慮到工藝的適用性，選取模數3～4、φ150 mm的20MnCr5HHA齒輪類零件進行工藝試驗。試驗零件示意圖見圖1。

圖1 試驗零件示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test parts

設計了三種熱處理試驗方案：1)選用AICHELIN箱式多用爐，進行滲碳、直接淬火、低溫回火；2)選用AICHELIN箱式多用爐，進行滲碳、隨爐冷卻、重新加熱淬火、低溫回火；3)選用真空熱處理爐，進行真空滲碳、高壓氣體淬火、低溫回火。

5 試驗結果

5.1 滲碳后直接淬火工藝

滲碳后直接淬火、回火的熱處理工藝見圖2。滲碳氣氛為氮氣-甲醇，用丙酮作為富化劑[4]。進行A、B兩次熱處理試驗后，在零件齒部取樣，經磨樣、拋光后使用2%～4%硝酸酒精進行腐蝕，零件金相組織如圖3所示。并對殘余奧氏體含量進行檢測，檢測部位為零件齒高1/2處，按照企業(yè)標準規(guī)定檢測距離表面80 μm處的殘余奧氏體含量，結果見表3?？梢钥闯?，金相圖譜法與圖像分析法測評結果基本一致，殘余奧氏體含量仍較高(25%～30%)。

表3 滲碳后直接淬火工藝下殘余奧氏體含量Table 3 Residual austenite content in direct quenching process after carburizing

圖2 滲碳后直接淬火工藝Fig.2 Direct quenching process after carburizing

(a)A試驗；(b)B試驗圖3 零件金相組織500×(a)test A;(b)test BFig.3 Microstructure of the part 500×

分析熱處理工藝參數，發(fā)現(xiàn)在強滲溫度足夠高的情況下，強滲階段與擴散階段的碳勢均處于較低的水平，零件表面碳濃度較低。由于材料中Mn、Cr元素含量較高，使得過冷奧氏體穩(wěn)定性提高，冷卻過程中轉變不充分，造成殘余奧氏體含量較高[5-6]。

5.2 二次加熱淬火工藝

二次加熱淬火的熱處理工藝見圖4。滲碳氣氛為氮氣-甲醇，用丙酮作為富化劑[4]。進行C、D兩次熱處理試驗，滲碳隨爐冷卻后進行金相組織觀察，發(fā)現(xiàn)有碳化物沿晶界間析出，如圖5所示。二次加熱淬火、低溫回火后，零件金相組織如圖6所示。

圖4 二次加熱淬火工藝Fig.4 Secondary heating and quenching process

圖5 隨爐冷卻后零件金相組織500×Fig.5 Microstructure of the part after cooling with the furnace 500×

(a)C試驗；(b)D試驗圖6 零件金相組織圖片500×(a)test C;(b)test DFig.6 Microstructure of the part 500×

殘余奧氏體含量評測結果見表4，金相圖譜法與圖像分析法測評結果比較接近。

表4 二次加熱淬火工藝下殘余奧氏體含量Table 4 Residual austenite content in secondary heating and quenching process

對比兩種工藝下零件殘余奧氏體含量，可以看出，二次加熱淬火工藝下的殘余奧氏體含量較直接淬火工藝有明顯的降低。這是因為零件在隨爐冷卻過程中，滲碳層析出了少量合金碳化物，碳化物的存在降低了奧氏體中合金元素的固溶度，從而降低了奧氏體的穩(wěn)定性；在零件重新入爐加熱奧氏體化，即便碳化物有所溶解(淬火后零件組織中幾乎看不到碳化物)，其奧氏體穩(wěn)定性仍低于直接淬火工藝過程中的奧氏體，最終結果為奧氏體進一步轉變，殘余奧氏體含量減少。

5.3 真空熱處理工藝

真空熱處理工藝見圖7。真空熱處理的滲碳介質為乙炔，采用脈沖式滲碳，其中滲碳及擴散溫度為930 ℃，淬火溫度為870 ℃，采用高壓氮氣淬火，壓力為12 bar。熱處理試驗后進行金相組織觀察，如圖8所示。在齒頂處發(fā)現(xiàn)有碳化物存在，如圖9所示。

圖7 真空熱處理工藝Fig.7 The vacuum heat treatment process

圖8 真空熱處理試驗零件金相組織500×Fig.8 Microstructure of the part by vacuum heat treatment test 500×

圖9 齒頂金相組織 500×Fig.9 Microstructure of the tooth top 500×

殘余奧氏體含量評測結果見表5，金相圖譜法與圖像分析法測評結果基本一致。結合齒頂部位碳化物組織分析，殘余奧氏體含量較大的原因是滲碳過程中乙炔通入量較大，導致零件表面碳濃度較大，使溶入奧氏體中的碳含量增加；同時其淬火溫度過高(870 ℃)，使得溶入奧氏體中的碳和合金元素量過多，奧氏體穩(wěn)定性提高，最終導致淬火后殘余奧氏體量增多。

表5 真空熱處理工藝下殘余奧氏體含量Table 5 Residual austenite content in vacuum heat treatment process

6 結論

本文通過研究不同熱處理工藝下20MnCr5HHA材料的殘余奧氏體含量，分析了三種工藝條件下殘余奧氏體含量的影響因素，結果表明：

1)滲碳+二次加熱淬火可有效降低零件表面的殘余奧氏體含量；

2)合金元素對殘余奧氏體含量的影響較大，可根據不同產品的熱處理要求選擇更為經濟的熱處理方案。

3)通過工藝試驗，確定滲碳爐冷+二次加熱淬火+低溫回火的工藝方案，最終完成了20MnCr5HHA材料低殘余奧氏體含量(≤15%)的工藝開發(fā)，滿足了國外產品的熱處理高質量要求。