輥底式爐對(duì)18CrNiMo7-6重載齒輪碳化物控制研究

■ 張林建，顧曉明，朱偉偉，呂藍(lán)冰，李康康

輥底式馬氏體分級(jí)淬火生產(chǎn)線采用硝酸鉀加亞硝酸鈉鹽浴淬火冷卻介質(zhì)，分級(jí)淬火原理為滲碳齒輪在鹽浴中完成齒輪心部組織轉(zhuǎn)變，后在風(fēng)冷臺(tái)空氣中完成表面組織轉(zhuǎn)變，空氣中轉(zhuǎn)變應(yīng)力小，有利于減小變形以及淬火應(yīng)力。研究的輥底式馬氏體分級(jí)淬火生產(chǎn)線主要由上料臺(tái)、加熱爐、鹽浴槽、風(fēng)冷臺(tái)、清洗機(jī)、低溫回火爐以及下料臺(tái)組成（見圖1）。

18CrNiMo7-6是常用的重載齒輪滲碳鋼，Cr、Ni含量高，淬透性優(yōu)良，廣泛應(yīng)用于大模數(shù)齒輪件。該材質(zhì)滲碳特點(diǎn)為碳化物形成敏感性較高，滲碳時(shí)碳勢(shì)達(dá)到0.75%以上即可在晶界形成細(xì)網(wǎng)狀碳化物，淬火后將形成3級(jí)碳化物，故其對(duì)滲碳以及淬火時(shí)的碳勢(shì)波動(dòng)要求嚴(yán)格。

1. 試驗(yàn)材料及熱處理工藝

設(shè)備調(diào)試階段試驗(yàn)齒輪，模數(shù)10，外徑1000mm，齒寬200mm，材料18CrNiMo7-6，制造工序?yàn)椋哄懺臁懞鬅崽幚恚ㄕ?高溫回火）→半精車→滾齒→熱處理→拋丸→精車→磨削→無損檢測(cè)→烘裝→磨齒→無損檢測(cè)。熱處理后表面硬度要求值為58～62HRC，碳化物要求2級(jí)以內(nèi)，殘留奧氏體要求2級(jí)以內(nèi)。試驗(yàn)齒輪滲碳使用井式滲碳爐，強(qiáng)滲碳勢(shì)1.20%，擴(kuò)散碳勢(shì)0.72%，滲碳后對(duì)齒輪均布4點(diǎn)滲層碳含量檢測(cè)，滲層表面碳含量均勻，wC為0.70%～0.75%，齒輪周向表層晶界無可見碳化物。淬火、回火在輥底式馬氏體分級(jí)淬火生產(chǎn)線上完成，工藝如圖2所示，參數(shù)見表1。

圖1 輥底式馬氏體分級(jí)淬火生產(chǎn)線

2.性能檢驗(yàn)

輥底式馬氏體分級(jí)淬火生產(chǎn)線淬火、回火完成后，未拋丸狀態(tài)，對(duì)試驗(yàn)齒輪本體切齒檢驗(yàn)，隔180°切取齒形樣塊，每個(gè)齒形樣塊對(duì)齒寬上中下進(jìn)行熱處理性能檢測(cè)。性能檢測(cè)指標(biāo)包括成分、組織、層深、硬度、殘余應(yīng)力。

（1）化學(xué)成分 試驗(yàn)材料18C r N i M o7-6化學(xué)成分按EN10084-2008驗(yàn)收，符合要求，兩件試樣成分基本一致，表明試驗(yàn)齒輪原材料成分均勻，具體化學(xué)成分見表2。

（2）硬度及層深 如表3所示，硬度及層深數(shù)據(jù)可分析出，試驗(yàn)齒輪表面硬度達(dá)到59HRC，180°齒的表面硬度及層深均高于0°齒，從硬度方面可以判斷出兩者的組織必然存在差異。

（3）熱處理組織 對(duì)0°齒及180°齒進(jìn)行組織檢驗(yàn)，如圖3及圖4所示，明顯可見0°齒表面碳化物1級(jí)，殘留奧氏體1級(jí)；180°齒碳化物3級(jí)，殘留奧氏體2級(jí)，出現(xiàn)斷續(xù)細(xì)網(wǎng)狀碳化物，形態(tài)呈塊狀，角狀，斷續(xù)網(wǎng)狀，碳化物作為硬化物質(zhì)，將顯著提高表層的硬度，組織結(jié)果佐證了表3所述的硬度結(jié)果。

圖2 輥底式爐熱處理工藝

圖3 試驗(yàn)齒輪0°齒表面組織

圖4 試驗(yàn)齒輪 180°齒表面組織

表1 熱處理工藝參數(shù)

表2 樣品化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表3 齒輪切齒試驗(yàn)的硬度及層深

（4）殘余應(yīng)力 對(duì)0°及180°齒進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)，檢測(cè)部位齒根，采用X-350A型X射線應(yīng)力測(cè)定儀測(cè)試。檢測(cè)參數(shù)及結(jié)果見表4。從殘余應(yīng)力結(jié)果分析，180°齒的殘余壓應(yīng)力低于0°齒，與180°齒表面碳化物以及殘留奧氏體數(shù)量有關(guān)，殘留奧氏體作為不穩(wěn)定相，在自然時(shí)效狀態(tài)下，殘留奧氏體穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)化趨勢(shì)將產(chǎn)生體積以及應(yīng)力狀態(tài)的變化，對(duì)殘余壓應(yīng)力產(chǎn)生負(fù)面影響。

3. 試驗(yàn)結(jié)果

（1）淬火、回火后，試驗(yàn)齒輪本體碳化物級(jí)別偏差2級(jí)，與滲碳態(tài)表面碳濃度結(jié)果不吻合，表明180°齒的3級(jí)碳化物來源于淬火奧氏體化階段。

（2）碳化物作為硬化物質(zhì)，將提高滲碳齒輪表面硬度，同時(shí)在淬火奧氏體化階段，隨著表層含碳量的增加，碳在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)增大，穩(wěn)定奧氏體相，降低馬氏體轉(zhuǎn)變開始點(diǎn)Ms點(diǎn)，使殘留奧氏體數(shù)量增加。

4. 結(jié)果分析

試驗(yàn)齒輪最終熱處理后的性能差異源頭在于表層碳濃度差異，碳濃度差異表明輥底式爐在淬火奧氏體化過程中爐膛碳勢(shì)均勻性出現(xiàn)差異性問題。爐膛碳勢(shì)均勻性與爐膛結(jié)構(gòu)、氣氛循環(huán)走向、碳勢(shì)及溫度變化、碳勢(shì)控制系統(tǒng)以及產(chǎn)品形狀結(jié)構(gòu)有關(guān)。爐膛結(jié)構(gòu)以及氣氛循環(huán)走向與設(shè)備結(jié)構(gòu)及風(fēng)扇布局有關(guān)；碳勢(shì)及溫度變化與碳勢(shì)控制系統(tǒng)以及產(chǎn)品形狀結(jié)構(gòu)有關(guān)。該型輥底式加熱爐由預(yù)熱室、加熱室以及保溫室組成，加熱室由3個(gè)區(qū)組成、保溫室由2個(gè)區(qū)組成，加熱室與保溫室相通。風(fēng)扇均勻分布在爐膛頂部，加熱室、保溫室各有一組碳勢(shì)控制系統(tǒng)（見圖5、圖6）。

該型設(shè)備設(shè)計(jì)主要用于軸承等零件的鹽浴淬火，碳勢(shì)最高0.85%，不會(huì)影響高碳軸承件的表面碳濃度。18CrNiMo7-6材質(zhì)含Ni量高，對(duì)碳化物敏感性大，表面碳濃度達(dá)到0.75%以上即可在晶界形成細(xì)網(wǎng)狀碳化物。圖7為階段進(jìn)爐膛時(shí)的碳勢(shì)變化模型，可見進(jìn)爐開爐門時(shí)碳勢(shì)開始下降，最低至0.20%，爐門關(guān)閉后爐膛碳勢(shì)開始升高，最高達(dá)到0.85%，碳勢(shì)往復(fù)波動(dòng)將在CP高值時(shí)產(chǎn)生大的碳濃度梯度。當(dāng)進(jìn)行滲碳齒輪件鹽浴淬火熱處理時(shí)，碳勢(shì)大波動(dòng)形態(tài)將對(duì)原始0.70%～0.75%表面碳濃度產(chǎn)生影響，加之爐膛為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，零件進(jìn)出時(shí)爐膛的碳勢(shì)將產(chǎn)生嚴(yán)重不均勻性，同時(shí)該設(shè)備不具備空氣管路對(duì)碳勢(shì)的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能（見圖8），設(shè)備的設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致爐膛的碳勢(shì)不均勻現(xiàn)象產(chǎn)生。

表4 X射線應(yīng)力檢測(cè)

圖5 輥底加熱爐示意

圖6 輥底加熱爐剖視圖

圖7 輥底式加熱爐進(jìn)料碳勢(shì)變化模型

圖8 原始設(shè)計(jì)進(jìn)氣管位置及管路

5. 設(shè)備改造及工藝優(yōu)化

表面碳化物不均勻性源于爐膛碳勢(shì)不均勻，使?fàn)t膛碳勢(shì)可控且防止形成積炭將解決表面碳化物不均勻問題。改造（見圖9）及工藝優(yōu)化如下：

（1）碳勢(shì)控制增加工藝空氣系統(tǒng)，爐膛通過空氣泵打入工藝空氣來控制碳勢(shì)穩(wěn)定性。

（2）介質(zhì)進(jìn)氣管改從高溫風(fēng)扇頂部進(jìn)入，提高介質(zhì)高溫裂解效果，避免未分解介質(zhì)被風(fēng)扇直接吹至零件上。

（3）爐膛長(zhǎng)8m，原始設(shè)計(jì)2個(gè)氧探頭無法精確控制長(zhǎng)腔爐膛內(nèi)碳勢(shì)變化，在保溫室一區(qū)增加一組氧探頭控制系統(tǒng)。

（4）預(yù)熱室保溫溫度提高至680℃，以保證產(chǎn)品進(jìn)入820℃加熱室一區(qū)時(shí)溫度在760℃以上，使產(chǎn)品快速升溫到滲碳溫度，避免富化氣介質(zhì)在較低溫度下無法充分分解而產(chǎn)生積炭問題。

通過上述四點(diǎn)優(yōu)化，輥底式爐的碳勢(shì)均勻性得到保證，碳勢(shì)實(shí)際值偏差在±0.05%內(nèi)，試驗(yàn)驗(yàn)證大直徑18CrNiMo7-6齒輪在輥底式爐奧氏體化淬火后的360°周向熱處理組織均勻一致。

圖9 改造后進(jìn)氣管位置及管路

6. 結(jié)語

（1）18CrNiMo7-6齒輪在輥底式爐奧氏體化淬火后周向碳化物不均勻源于設(shè)備設(shè)計(jì)不合理，不具備空氣對(duì)碳勢(shì)的調(diào)節(jié)功能。

（2）對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造，碳控系統(tǒng)加裝空氣管路同時(shí)增加一路監(jiān)控裝置，改變介質(zhì)進(jìn)入爐膛的路徑，提高預(yù)熱溫度，以防止積炭，通過設(shè)備改造優(yōu)化可以提高爐膛的碳勢(shì)均勻性，使18CrNiMo7-6滲碳齒輪的鹽浴淬火在輥底式爐中得以實(shí)現(xiàn)。