熱處理工藝對18CrNiMo7-6鹽浴淬火齒輪馬氏體針長度的影響

■張林建，顧曉明，呂藍冰，李康康

重載齒輪金相檢測常規采用JB/T6141.3—1992《重載齒輪 滲碳金相檢驗》標準，該標準對于滲層馬氏體針的長度未量化，采用隱晶、細針、針狀、粗針馬氏體描述，由于無量化的長度指標要求，致使實際檢驗無法準確判別，主觀性強。GB/T25744—2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》首次對國內重載齒輪行業的馬氏體針長度提出量化指標，逐步得到一些齒輪制造商的認可。在風電齒輪制造領域，鑒于滲層馬氏體針長度與疲勞壽命呈反比關系，目前已有風機制造商采用GB/T25744—2010標準，并對滲層的馬氏體針長度提出≤13μm的要求，參照該標準復查金相檢測記錄，發現18Cr Ni Mo7-6滲碳齒輪鹽浴淬火后的馬氏體針長度合格率僅50%，致使滲層馬氏體針長度成為當前熱處理控制較為棘手的指標點。

表層高碳針狀馬氏體呈雙凸透鏡片狀，冷卻至Ms 點后，初生馬氏體將貫穿整個奧氏體晶粒將其分割成兩部分，隨后形成的馬氏體大小將受到初生馬氏體及奧氏體晶界限制，冷卻越往后生成的馬氏體針片越小，最終形成交錯的片狀形態。 由于鹽浴淬火為分級淬火，滲層馬氏體組織在空氣中完成轉變，且轉變緩慢，相比油介質而言，相同熱處理工藝參數下，硝鹽淬火后表面組織差于油淬，在形態上表現為滲層馬氏體針長度大于油淬，表面殘留奧氏體數量多于油淬以及表面碳化物彌散程度低于油淬。目前我廠采用的淬火冷卻介質為硝鹽，受硬件條件局限，淬火后滲層馬氏體針長度大于油淬，滲層馬氏體針長度僅能控制≤20μm。因此，必須實施創新來突破馬氏體針長度較大的問題。

1. 試驗思路

從齒輪熱處理整個工藝流程分析，減小滲層馬氏體針長度主要有三個方向：

（1）控制原材料成分或選擇其他材料，減小晶粒長大傾向，對晶粒度影響明顯的元素如熱敏感度高的Mn，晶粒細化元素Ti以及Al/N比等，但通過調整元素含量達到細化晶粒的同時也會對淬透性等指標造成影響，如降低熱敏感度高的Mn含量會細化晶粒，同時也會降低其淬透性能，而且元素精確控制的可行性低，國內當前的冶煉水平不能滿足過窄的成分區間要求，因此控制原材料成分或選擇其他材料可行性低。

（2）改變淬火冷卻介質，增加油介質，但受空間、成本限制而顯得不現實。

（3）優化熱處理工藝手段，分析馬氏體針長大的影響要素，通過再結晶等手段達到細化晶粒的目的。

綜上分析，減小馬氏體針長度相對可行的途徑即為優化熱處理工藝。

控制馬氏體針長度實為控制奧氏體晶粒度，即控制淬火前奧氏體狀態下滲層的奧氏體晶粒度，滲層奧氏體晶粒度影響因素包括奧氏體化溫度、時間、滲碳溫度及時間、表面碳濃度、淬火冷卻介質、加熱速度、合金元素、冶煉方式、淬火前原始組織等。受設備、材質特性等硬性條件制約，材質、淬火冷卻介質、奧氏體化溫度及時間、滲碳溫度及時間、加熱速度、冶煉方式因素調整幅度較小。對于表面碳濃度對馬氏體組織的影響，對18Cr Ni Mo7-6材質而言，國內外觀點一致，表面碳濃度控制在0.70%～0.85%，目前我廠控制值完全處于該區間，而且設備本身碳勢偏差為±0.05%，因此表面碳濃度調整空間不大，綜合分析，淬火前原始組織是馬氏體針長度問題突破的最可行要素。

2. 試驗方案

（1）淬火前原始組織主要從晶粒度及組織類型來影響淬火后滲層馬氏體針長度。原始組織越細小越有利于獲得細小滲層馬氏體組織，原始組織為組織遺傳效應顯著的馬氏體或下貝氏體將促進晶粒長大。優化淬火前原始組織即通過其他熱處理手段改變淬火前組織形態，從熱處理工藝原理分析，其他熱處理手段主要為正火及高溫回火。從理論上分析，正火可起到再結晶作用，細化晶粒；高溫回火可改變組織形態，析出碳化物，減弱組織遺傳效應，因此試驗方案主要從正火、高溫回火入手研究其對滲層馬氏體針長度的影響。

（2）試驗目標：滲層馬氏體針長度控制≤0.013mm。

試驗方案①~④：滲碳及重新加熱淬火工藝相同，均如圖1、圖2所示，圖3~圖5分別為方案②~④中的其他工藝。試驗材質采用同一熔煉號18Cr Ni Mo7-6試樣，化學成分相同。滲碳溫度一般為920～950℃，采用920℃下限可以最大程度減小滲碳后奧氏體晶粒尺寸，650℃出爐溫度可以大幅降低滲層組織中的非平衡組織數量，減弱組織遺傳效應。820℃奧氏體化保溫采用CP=0.8%高碳勢可以補充滲碳后高溫回火或正火導致的表面碳原子流失，即實現補碳效果，使最終淬火后的表面脫碳層以及非馬氏體組織合格。820℃奧氏體化溫度選擇基于18Cr Ni Mo7-6材質的Ac3為820℃，臨界溫度選擇可以確保心部性能的前提下最大程度減小奧氏體晶粒長大的動力。正火采用700℃高溫入爐加熱，以提高加熱速率，增大滲層奧氏體的形核率。

表1 試驗方案簡述

表2 滲層馬氏體組織

3. 試驗結果

采用GB/T25744—2010標準評級，試驗方案①~④滲層馬氏體組織匯總見表2，組織形態見圖6～圖9。

圖1 滲碳工藝

圖2 重新加熱淬火工藝

圖3 試驗方案②一次高溫回火工藝

圖4 試驗方案③二次高溫回火工藝

圖5 試驗方案④滲碳后正火工藝

4. 試驗分析

從表2試驗結果可知，方案①滲層馬氏體針長度不能滿足≤0.013mm要求；方案②、③、④可以達到滲層馬氏體針長度≤0.013mm目標；方案②與③滲層馬氏體針長度相同，表明連續二次高溫回火未對滲層馬氏體針長度產生效果疊加；方案②與①比較，表明滲碳后高溫回火可以改善滲層馬氏體針長度；方案④滲層馬氏體針長度明顯小于方案①、②、③。

（1）高溫回火細化原理分析 若奧氏體化前組織為非平衡相，如表面獲得馬氏體組織，直接加熱時，由于組織遺傳效應，原始的馬氏體晶粒大小將得到遺傳，重新加熱將無細化晶粒的作用，而且晶粒將繼續長大，此時需在奧氏體化前進行回火處理，消除非平衡相的組織方向性，重新加熱時形核率將增加，淬火后組織細化。滲碳后滲層存在一定量的非平衡組織，通過高溫回火可以將非平衡組織向平衡組織轉變，使最終淬回火后的馬氏體針細化。高溫回火時間包括工件截面均勻地達到回火溫度所需的時間以及完成組織轉變所需的時間，當高溫回火時間滿足組織轉變所要求的時間后，過多次數、過長時間的高溫回火并不會對已完成轉變的平衡組織產生明顯影響，因此方案②與③的高溫回火工藝對淬回火后的滲層馬氏體針長度影響效果相同。

圖6 試驗①淬回火后滲層馬氏體組織

圖7 試驗②淬回火后滲層馬氏體組織

圖8 試驗③淬回火后滲層馬氏體組織

圖9 試驗④淬回火后滲層馬氏體組織

圖10 方案④工藝階段滲層奧氏體晶粒演變示意

（2）正火細化原理分析 滲碳后重新加熱正火，通過再結晶細化晶粒，高溫入爐，加熱速度快，其過熱度較大，奧氏體形成速度快。隨著溫度升高，表面奧氏體的形核率I與長大速度G均變大，但I的增大速率高于G的增大速率，因此奧氏體實際形成溫度越高，獲得的起始奧氏體晶粒度越細小。起始奧氏體晶粒度越細小，奧氏體長大傾向越強，此時通過短時間保溫可以在正火冷卻前獲得細小的表面奧氏體晶粒度（若長時間保溫將恢復大晶粒狀態）。奧氏體化后采用空冷處理，由于冷卻速度較快，抑制碳化物析出，獲得偽共析組織，產生細小的下貝氏體、馬氏體、托氏體等非平衡組織。重新加熱淬火時，在650℃保溫處理，將下貝氏體、馬氏體、托氏體轉化為回火態組織，消除非平衡相的組織方向性，防止其奧氏體化過程中晶粒過分長大。原始組織越彌散，則其相界面越多，加熱時形核率越大，奧氏體形成速度越快，也越容易獲得細化的奧氏體晶粒度，淬火后可獲得細小的滲層馬氏體組織。

滲碳后正火處理對滲層馬氏體細化效果明顯，但其在可行性、經濟性指標方面存在不足。可行性體現在加熱速度以及冷卻速度控制難度大，實際生產中若裝爐量較大或零件截面厚大將導致加熱速度較慢、正火冷卻速度較慢，可能無法達到試樣試驗的再結晶細化效果。經濟性分為兩方面，一為正火處理生產成本增加，生產周期延長；二為熱處理變形與加熱次數成正比關系，正火后變形必然增大，后道工序加工成本增加。對于滲碳齒輪件而言，表面為高碳奧氏體組織，碳含量的增加，導致奧氏體等溫轉變圖右移，即過冷奧氏體的穩定性增加，在正火冷卻條件下，18Cr Ni Mo7-6材質零件心部將獲得粒狀貝氏體+板條狀馬氏體，表面獲得下貝氏體、馬氏體及托氏體，組織均勻度降低，由于這幾種組織為非平衡組織，其比體積大于平衡組織鐵素體及珠光體，比體積大以及組織均勻度降低必然導致變形量增加，因此產品實施滲碳后正火處理必須慎重，需要對實際產品進行試驗驗證，確認工藝可行方可批量化熱處理生產。

綜上所述，方案④馬氏體針細化效果最明顯，但存在一定質量風險，經濟性不足。方案①馬氏體針長度不符合≤0.013mm技術要求。方案②與③馬氏體針長度符合≤0.013mm技術要求，且方案②的生產周期以及成本明顯優于方案③，因此方案②為相對最佳的工藝路線。

5. 結語

（1）滲碳+一次高溫回火+重新加熱淬火可以控制滲層馬氏體針長度在0.005～0.012mm，滿足≤0.013mm技術要求，該方案為18Cr Ni Mo7-6滲碳齒輪馬氏體針長度控制的相對最佳工藝路線。

（2）滲碳后二次高溫回火對馬氏體針細化無效果疊加作用，馬氏體針長度維持在0.0 05～0.012mm。

（3）滲碳后正火方案的馬氏體針細化效果最佳，但可行性、經濟性相對較差，正火后變形增大，質量風險較高。