18Cr2Ni4WA合金鋼高硬度熱處理加工過程試驗

摘要：18Cr2Ni4WA是特種鋼，在滲碳淬火的過程中容易形成大量的殘余奧氏體，從而使硬度難以超過HRC56。本文通過可控氣氛多用爐滲碳、淬火、高溫回火、二次淬火、冷凍、回火的實驗過程，可使滲碳層4mm以上的。零件表面硬度達到HRC60以上。

關鍵詞：18Cr2Ni4WA、可控氣氛多用爐、滲碳淬火、殘余奧氏體、表面硬度

引言

現代社會，汽車是一個國家工業的縮影。其高性能、高技術的要求，決定了汽車齒輪箱在設計制造技術方面要先于其它工業部門追蹤世界先進技術水平。高精度硬齒面齒輪代表了車用、船用齒輪傳動裝置的發展方向。齒輪滲碳淬火后的性能除與心部性能有關外，還受滲碳層深度、滲碳層的碳含量與金相組織、內應力的分布等因素的影響

1.工藝分析

某專業熱處理廠今年承接一批軍用汽車齒輪熱處理任務，該齒輪材料采用18Cr2Ni4WA 。18Cr2Ni4WA是一種優質合金鋼，強度高，韌性及淬透性好。

18Cr2Ni4WA化學成份如下：

碳 C ：0.13～0.19

硅 Si：0.17～0.37

錳 Mn：0.30～0.60

硫 S ：≤0.25

磷 P ：≤0.25

鉻 Cr：1.35～1.65

鎳 Ni：4.00～4.50

銅 Cu： ≤0.025

鎢 W ： 0.08～1.20

18Cr2Ni4WA的熱處理參數：

正火溫度為930℃-950℃，滲碳溫度為900℃-950℃。第一次淬火溫度860℃-880℃，第二次淬火溫度780℃-810℃。

齒輪技術要求：

滲碳層深4.5-5.2mm，

表面硬度HRC61-64，

碳化物級別<5級，

殘余奧氏體<3級。

針對該產品的材料特點及技術要求、用途，確定在豐東600kg可控氣氛多用爐中加工。豐東600kg可控氣氛多用爐的特點比較突出，它采用日本PVH表進行編程，并對時間、溫度、碳勢進行控制，溫度的控制精度在±5℃，碳勢的控制精度在±0.05%CP，爐內的氣氛由丙烷提供，以甲醇為氣氛載體。

為保證實驗的可靠性，試驗前做了定碳測試、九點測溫校驗等前期準備工作。

零件擺放：將被加工零件立放在底料盤上齒輪之間用隔圈分隔。

2.工藝制訂

首輪試制加工工藝如下：

2.1.強滲：溫度930℃，碳勢1.25%CP，時間6480min；

2.2.擴散：溫度930℃，碳勢0.85%CP，時間720min；；

2.3.淬火：溫度880℃，碳勢0，85%CP，保溫時間40min，用分級淬火油，淬火油溫65℃，淬火時間40 min；

2.4.高溫回火：620℃保溫300 min，再升至650℃，保溫480 min，冷至550℃出爐；

2.5.二次淬火：溫度800℃，碳勢0，85%CP，保溫時間90min，用分級淬火油，淬火油溫65℃，淬火時間40 min；

2.6.回火：溫度150℃， 時間210m

3.樣品檢驗

按以上工藝加工后，用HV-1000A顯微硬度計檢查有效硬化層深達到4.9mm，用XJP-6A金相顯微鏡檢查隨爐試樣，碳化物級別為3級，但殘余奧氏體級別達到8級，用HLN200型里氏硬度計檢查表面硬度為52-56HRC。

首輪試驗結果表明，零件變形效果十分理想，滲碳層深及碳化物級別合格，但零件的表面硬度、殘余奧氏體級別不能達到用戶要求。

4.改進工藝

經過分析，查找相關技術資料，殘余奧氏體級別嚴重超標，未能有效轉換為馬氏體，是影響零件表面硬度的主要原因。如何降低殘余奧氏體含量以提高零件表面硬度，是下一步的工作重點。

對于18Cr2Ni4WA這類易產生殘余奧氏體組織的材料而言，消除殘余奧氏體組織的最好辦法就是在回火之前對零件進行冷處理。

經與用戶交流溝通，在可能增加產品變形情況下，對該爐產品進行進一步的試驗。

因為該爐產品經過回火，內部組織已經穩定，那么需要重新制定淬火及淬火以后的工藝。

重新制定的工藝如下：

4.1.高溫回火：620℃保溫300 min，再升至650℃保溫480 min，冷至550℃出爐；

4.2.再次淬火：溫度800℃，碳勢0，85%CP，保溫時間90min，用分級淬火油，淬火油溫65℃，淬火時間40 min；

4.3.冷凍處理：溫度-70℃，冷凍時間60 min；

4.4.硬度檢查：用HLN200型里氏硬度計檢查表面硬度，

4.5.回火：根據根據實測硬度值確定回火溫度。

再次淬火后，冷至室溫檢查零件表面硬度仍然只有HRC52-56，于是將零件及隨爐試樣放入在FDR-W/0.64冷凍機中，將溫度降至-70℃，冷凍60 min出爐。

零件恢復常溫后，用HLN200型里氏硬度計檢查表面硬度為63.4-67.6HRC.

根據以上結果，將回火溫度定為210℃，回火3.5h，出爐冷卻。

5.重新檢驗

最終檢查結果為：用HV-1000A顯微硬度計檢查有效硬化層深達到4.9mm，用XJP-6A金相顯微鏡檢查隨爐試樣，碳化物級別為2.5級，但殘余奧氏體級別降到2級，用HLN200型里氏硬度計檢查表面硬度為61-62.8HRC。

批量生產過程按修改后的工藝生產質量穩定，用戶十分滿意。

6.結束語

實踐證明，采用可控氣氛多用爐滲碳、淬火、高溫回火、二次淬火、冷凍、回火的工藝過程，可使滲碳層4mm以上的零件表面硬度達到HRC60以上，零件的內部組織穩定達到技術要求，零件的變形也能控制在合理的范圍內，是可以用于批量生產的成熟熱處理工藝。

參考文獻：

[1]謝紹志《熱處理質量控制與檢驗務實全書》、安徽音響出版社、1986；

[2]汽車滲碳齒輪金相檢驗圖片JB1675-75。

作者簡介：

郝勇強（1968--），男 陜西大荔人，本科，機械工程專業，研究方向：機械設計與制造。