18CrNiMo7-6鋼滲碳工藝的研究

王子瑜

（渤海船舶職業學院，遼寧興城125105）

隨著風力發電機組的發展，對材料性能提出了越來越高的要求，而風力發電機組經常用到的太陽輪和中間軸等受力復雜的零件，對材料性能的要求更高。這類零件要求材料表面有高的硬度和耐磨性，且心部有足夠的塑性和韌性，而通過對材料進行滲碳處理可以滿足此要求。18CrNiMo7-6鋼具有高強度、高韌性和高淬透性等優點，因此廣泛作為滲碳鋼使用。

本文以18CrNiMo7-6鋼為試驗鋼，經滲碳及熱處理工藝處理后，18CrNiMo7-6鋼滲碳層分布梯度平緩，獲得了一定深度的有效硬化層，提高了材料表面的硬度、耐磨性和疲勞極限。通過不同滲碳處理工藝處理18CrNiMo7-6鋼，并進行顯微組織分析和顯微硬度測試，研究不同滲碳處理工藝對18CrNiMo7-6鋼有效硬化層深度的影響，從而為合理制訂18CrNiMo7-6鋼滲碳處理熱工藝提供試驗依據。

1 試驗材料與方法

18CrNiMo7-6鋼的化學成分如表1所示。

表1 試驗鋼的化學成分 （質量分數，%）

18CrNiMo7-6鋼采用井式氣體滲碳爐滲碳，滲碳氣體使用甲醇（750～800℃） 和丙烷（800℃以上）等直接滴入爐內而得。其滲碳工藝路線如圖1所示，其中Ⅲ階段工藝有2種：A工藝，保溫52 h，碳勢為Cp0.70%C～1.15%C；B工藝，保溫87 h，碳勢為Cp0.65%C～1.10%C。18CrNi-Mo7-6鋼經滲碳后移至緩冷坑緩冷，溫度降到300℃以下后進入加熱爐，溫度升至860～880℃保溫一段時間，然后再降至830～850℃保溫一段時間進行淬火。淬火后，工件內存在淬火應力，為消除殘余應力，選擇低溫回火。低溫回火溫度為200～220℃，保溫12 h出爐空冷。

由熱處理手冊可知，滲碳時間與滲碳深度成平方根關系，時間越長，滲碳深度越深；時間越短，生產效率越高，能耗越低。本試驗目的是獲得較深的有效硬化層，并比較不同保溫時間對其深度及硬度的影響，故滲碳保溫時間選擇比常規工藝長。

圖1 18CrNiMo7-6鋼的滲碳工藝示意圖

對熱處理后的試驗鋼進行取樣，將試樣磨平、拋光，用4%的硝酸酒精浸蝕。然后用Axiovert 40 MAT光學顯微鏡進行試樣顯微組織的觀察和分析。

同時，利用TMV-1S顯微硬度計測試試驗鋼滲碳層的硬度梯度，加載載荷為1 000 g，加載時間為15 s。利用THRP-150D洛氏硬度計測試試驗鋼的表面和心部硬度。

2 試驗結果與分析

2.1 顯微組織

圖2和圖3分別為18CrNiMo7-6試驗鋼經滲碳A工藝和B工藝后，再經淬火回火后的顯微組織。通過對比圖2和圖3可以發現滲碳A工藝和B工藝得到的相同部位的顯微組織基本相似，滲碳試驗鋼的表層組織為回火馬氏體+分散細小碳化合物+少量殘余奧氏體（如圖2a和圖3a），心部主要組織為回火馬氏體（如圖2b和圖3b）。圖3b中回火馬氏體較圖2b中回火馬氏體粗大，這是由于滲碳處理后A工藝和B工藝均未進行細化晶粒處理，而滲碳B工藝保溫時間長，組織處于高溫時間長，晶粒易長大，故心部組織較A工藝中晶粒粗大，采用相同的淬火回火工藝處理后，B工藝（如圖3b） 獲得的回火馬氏體組織晶粒粗大。此外，滲碳試驗鋼的表層和心部組織中的回火馬氏體的形貌差別明顯，表層組織中的馬氏體為針狀，而心部組織中的馬氏體為板條狀。表層組織中針狀馬氏體為高碳馬氏體，由于滲碳，碳含量明顯增加達到中高碳鋼水平（碳含量約為0.65～0.9%）；心部組織中板條馬氏體為低碳馬氏體，心部受滲碳影響很小，碳含量增加不明顯，仍保持低碳鋼水平（碳含量約為0.15～0.20%）。

圖2 滲碳A工藝試驗鋼的顯微組織

圖3 滲碳B工藝試驗鋼的顯微組織

2.2 滲碳層的硬度

圖4為18CrNiMo7-6試驗鋼經滲碳等熱處理后由表面到心部的顯微硬度。由圖4可見，滲碳后試驗鋼由表面到心部的顯微硬度呈逐漸下降的趨勢。這是由于滲碳時，離表面越遠的碳原子擴散越困難，因此從表面到心部碳含量逐漸下降，所以硬度也逐漸下降。此外，從圖4中還可以發現滲碳B工藝試驗鋼的硬度要略高于滲碳A工藝試驗鋼的硬度，這是由于滲碳B工藝第Ⅲ階段保溫時間為87 h明顯長于滲碳A工藝第Ⅲ階段的保溫時間52 h。滲碳時間長，相應試驗鋼相同位置的碳含量高，因此硬度也略高。但由于鋼的溶解度和碳的擴散能力有限，滲碳層硬度差別并不明顯。

圖4 試驗鋼的硬度梯度

18CrNiMo7-6試驗鋼經滲碳等熱處理后的有效硬化層深度按照標準GB/T 9450-2005進行測試。經測試，18CrNiMo7-6試驗鋼的硬度和有效硬化層深度如表2所示，滲碳A工藝試驗鋼的有效硬化層深度為2.8 mm，滲碳B工藝試驗鋼的有效硬化層深度為3.3 mm。滲碳B工藝的有效硬化層深度大于滲碳A工藝，說明增加滲碳工藝第Ⅲ階段保溫時間有利于增加有效硬化層深度。此外，滲碳B工藝試驗鋼表面和心部的硬度也高于滲碳A工藝試驗鋼表面和心部的硬度。滲碳工藝第Ⅲ階段保溫時間由52 h增加到87 h，按照GB/T 9450-2005規定從表面至550 HV為硬化層深度，表2和圖4均清晰明確地給出2種工藝的有效硬化層深度，即有效硬化層深度僅增加0.5 mm。

表2 試驗鋼的硬度和有效硬化層深度

3 結論

第一，增加滲碳熱處理工藝滲碳階段保溫時間有利于增加有效硬化層深度，但保溫時間增加35 h有效硬化層深度僅增加0.5 mm。因此，若需要滲碳后硬化層深度較大且硬度較高時，可選擇B工藝；若工藝要求能耗較低，可選擇A工藝。

第二，滲碳熱處理工藝滲碳階段的保溫時間為52～87 h，試驗鋼的有效硬化層深度為2.8～3.3 mm。

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