8620材料滲碳熱處理零件不良品返修方法

■徐燊

8620材料（AISI）是國外廣泛采用的一種滲碳鋼，這種鋼含合金元素Ni，因此該材料的齒輪在滲碳、淬火過程中形成的碳化物及氧化層比20CrMnTi材料要少。在實際生產過程中，滲碳設備由于機械或電氣故障原因，導致爐內零件出現各種指標超差的情況，比較常見的有硬化層深超標、網狀或半網狀碳化物、組織粗大、殘留奧氏體超標、表面硬度低等問題。筆者結合自身工作實際情況，選取一個比較典型的案例進行分析，對8620材料滲碳零件的返修提出一點看法。

1. 返修案例

我公司生產的某種片狀齒輪零件，材料為8620RH，材料成分見表1，模數為4.5，零件技術要求：滲碳硬化層深0.84～1.34mm（513HV），表面硬度58～63HRC，心部硬度30～45HRC，金相組織符合TES-003《Metallurgical Requirements for Heat Treated Components》要求，不允許有碳化物。

一臺氮甲醇氣氛的AICHELIN箱式多用爐在生產過程中出現氧探頭嚴重故障，零件表面附有炭黑，對此爐零件進行剖檢。檢測結果：零件硬化層深1.38mm，表面硬度59HRC，心部硬度42HRC，組織6級，并且齒尖有網狀和半網狀碳化物，如圖1所示。

2. 原工藝

該零件原熱處理工藝為：在920℃、碳勢Cp=1.20%下強滲260min，先降到870℃，碳勢Cp=0.9%，降溫840℃，碳勢Cp=0.85%，保溫40min后淬火，淬火冷卻介質為快速淬火油，回火為185℃，保溫180min。滲碳工藝見圖2。

3. 返修工藝

針對以上情況，需要對零件進行返修。返修后既要消除零件碳化物，又要求零件硬化層深不超過要求的上限。

返修工藝Ⅰ：溫度890℃，碳勢Cp=0.80%，保溫90min，降溫到830℃，碳勢Cp=0.80%，均溫30min。淬火冷卻介質為快速淬火油，攪拌轉速為500r/min。

返修工藝Ⅱ：溫度890℃，碳勢Cp=0.80%，保溫30min，降溫到830℃，碳勢Cp=0.80%，均溫30min。淬火冷卻介質為等溫分級淬火油，攪拌轉速為300r/min。

圖1 返修前的組織

圖2 原滲碳工藝曲線

表1 8620RH鋼的化學成分（質量分數） （%）

返修工藝Ⅲ：溫度890℃，碳勢Cp=0.80%，保溫50min，降溫到830℃，碳勢Cp=0.80%，均溫30min。淬火冷卻介質為等溫分級淬火油，快速攪拌為400r/min，慢速攪拌為300r/min，快攪時間為15s。

4. 返修結果及分析

從理論上分析，奧氏體化溫度越高，保溫時間越長，越有利于碳化物的溶解，但這樣會大幅提高零件滲碳層深，也影響零件的變形趨勢。因為返修工藝Ⅰ保溫時間夠長，就能消除掉零件碳化物（見圖3），但是返修工藝Ⅱ保溫時間不夠，所以不能完全消除碳化物（見圖4）。奧氏體化溫度低，也無法完全消除碳化物。設定較低的碳勢，是為了促進零件表面的過飽和碳向內外擴散，降低表面奧氏體的碳濃度。但同時碳濃度不能過低，這樣會造成零件表面貧碳。通過對上述3個返修工藝對比（見表2），在890℃、碳勢Cp=0.80%下，保溫50min以上能夠消除原零件的碳化物。

由于零件要求檢測齒部硬化層深（513HV），我們可以通過降低次表層及心部的硬度，間接地降低零件硬化層深。選用冷卻能力更弱的等溫分級淬火油，并降低油槽攪拌電動機的轉速，使淬火階段零件的冷卻效果減弱，將零件心部硬度從44HRC降到37HRC，從而使零件硬化層深滿足要求。同時在淬火階段前期增加少量快速攪拌時間，也有利于零件組織轉變，降低零件表面的非馬氏體組織。

另外，筆者還對有類似網狀和半網狀碳化物的20CrMnTi材料齒輪件進行了試驗，發現用上述工藝Ⅲ進行返修，零件齒尖仍有大塊狀碳化物存在。于是將工藝溫度提高到900℃，碳勢Cp=0.80%，保溫時間90min，才完全將零件的碳化物消除掉（見圖5）。

5. 結語

通過實例可以得出，采用合適的工藝參數（溫度、碳勢、時間），可以將8620RH材料零件碳化物和硬化層深超標的零件返修合格。如果是20CrMnTi材料零件的碳化物超標，返修時所采用的工藝參數（溫度、時間）要更高一些。

削弱零件淬火過程冷卻效果，靠降低心部硬度的方法來降低零件硬化層深的方法，適用于零件技術要求是控制硬化層深的零件，如果技術要求是滲碳層深或需返修零件的硬化層深超差很嚴重，那這種方法就不適用。

同時返修工藝要考慮零件的二次淬火產生的變形，因此在編制返修工藝時盡可能降低溫度和時間，以及選擇更弱的淬火冷卻效果。

圖3 返修工藝Ⅰ沒有碳化物（組織4級）

圖4 返修工藝Ⅱ還有細小的碳化物

圖5 返修工藝Ⅲ碳化物消除（組織2級）

表2 三個返修工藝零件的檢測結果