18CrNiMo7－6齒輪鋼球化退火工藝

竇勝濤

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 江陰214429）

當今，制造行業對制造精度、效率和材料利用率的要求越來越高，并且對環境保護的要求也在不斷提高。冷加工可以提高原材料的成材率，減少零部件制造流程，降低零部件能耗。這使得該技術的應用越來越廣［1－2］，因此冷加工用鋼的使用將是今后的一個發展趨勢。

1 球化退火原理

高合金齒輪鋼18CrNiMo7－6的熱軋原始組織以貝氏體組織為主，并存在少量馬氏體和殘余奧氏體組織，圖1即為其1000倍熱軋材組織照片。這種組織硬而脆，不適合冷加工，經球化退火得到的是球狀珠光體組織。其中的滲碳體呈球狀顆粒，彌散分布在鐵素體基體上，和片狀珠光體、貝氏體、馬氏體組織相比，其硬度很低，塑性很好，故冷加工用鋼在進行冷加工變形之前都要進行球化退火［3］處理。

滲碳體球化是一種溶解和沉積過程，簡單來說就是在一定溫度下滲碳體中的碳原子與周圍鐵素體的碳原子處于動態平衡狀態［4］。這樣平衡的碳濃度與滲碳體的曲率半徑有關，滲碳體尖角部位的碳原子較易遷走，所以尖角周圍的鐵素體比靠近滲碳體平直部位的鐵素體具有更高的碳濃度，這必將引起鐵素體內碳的擴散而打破動態平衡。為了保持這種動態平衡，必然導致滲碳體尖角繼續溶解并在其平直部位沉積析出，如此不斷進行，最后形成曲率半徑相近的球狀碳化物。如圖2a）－c）所示，形象地反映了滲碳體球化的過程［5］。

2 試驗材料和方法

試驗選用的材料是江陰興澄特種鋼鐵有限公司生產的18CrNiMo7－6熱軋棒材，生產工藝流程為：轉爐（BOF）→精煉爐（LF）→真空脫氣（RH）→連鑄（CCM）→連軋（CR），鋼材規格為 Φ40mm，其化學成分符合DIN EN 10084的規定，具體見表1。

圖3為該試驗鋼種的CCT曲線，其AC3約為831℃，AC1約為742℃，據此設計了4種工藝方案的試驗，試驗1－4對應圖4（a）－（d）。截取 Φ40 mm×100mm長的18CrNiMo7－6熱軋鋼棒，在箱式電阻爐中按設計的4種工藝方案分別進行熱處理試驗。

圖1 18CrNiMo7－6鋼熱軋組織Fig.1 Microstructure of 18CrNiMo7－6 steel after hot－rolled

圖2 滲碳體球化發生示意圖Fig.2 Schematic diagram spheroidizing process of cementite

圖3 18CrNiMo7－6鋼CCT曲線Fig.3 CCT curve of 18CrNiMo7－6

表1 18CrNiMo7－6化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemistry of 18CrNiMo7－6

圖4 試驗1（a），試驗2（b），試驗3（c），試驗4（d）Fig.4 Test1（a），Test2（b），Test3（c），Test4（d）

按照圖5所示，試樣從中間切斷，通過全自動磨拋機制作金相試樣，采用4%的硝酸酒精腐蝕后用AXIO IMAGER M2M型金相顯微鏡在放大1000倍下觀察組織，評定各個工藝試驗的球化率，用JSM－IT300型掃描電鏡和FM－300型顯微硬度計分析異常組織，采用BH3000型布氏硬度計測定試樣的硬度。

圖5 制樣示意圖Fig.5 Sample preparation schematic diagram

3 試驗結果與分析

試驗1的工藝方案是按照傳統的方法來制定的，第一段為在AC1以上20℃左右設定的溫度760℃保溫4個小時，目的是為了部分奧氏體化，隨后以20℃／h的速度降至AC1以下20℃左右設定的溫度720℃保溫5h，隨后爐冷。按照傳統的經驗，低合金鋼采用這個方法可以起到良好的球化退火的目的。圖6（a）為該試驗方法的顯微組織金相圖片，其主要為鐵素體、桿狀和塊狀組織，在放大1000倍時依然看不清其組織的真實面貌，繼續在掃描電鏡5000倍下觀察（見圖7），可以發現該桿狀組織以馬氏體和殘余奧氏體為主，經顯微硬度測試，該桿狀組織的硬度高達485HV。

試驗2的工藝方案與試驗1有所不同，首先是將760℃的保溫時間縮短至1.5h，隨后以10℃／h的速度降至650℃，最后隨爐冷卻。該方法由760℃緩慢降溫至650℃花費了11個小時，目的是使球化更充分。圖6（b）為該試驗方法的顯微組織金相圖片，其主要組織為鐵素體、片狀和點狀珠光體，此外還有少量桿狀和塊狀組織，經分析該桿狀和塊狀組織與試驗1的如出一轍，實際是馬氏體和殘余奧氏體，具有很高的硬度，結果與設計試驗方案的期望相悖。

試驗3的工藝方案為等溫球化退火，在720℃保溫12h后隨爐冷卻，該方法為滲碳體自發球化過程，受到碳濃度的波動，滲碳體聚集成長為球狀。圖6（c）為該試驗方法的顯微組織金相圖片，主要為鐵素體、球狀珠光體，此外還有個別零散的塊狀組織，該方法的球化率高達90%，但塊狀組織依然沒能消除，這種硬度很高的組織會引起冷鍛件開裂。

試驗4為在試驗3的基礎上改良的方法，先在500℃保溫4h，再升溫至720℃保溫12h后隨爐冷卻，總處理時間不超過20h。圖6（d）為該試驗方法的顯微組織金相圖片，為鐵素體＋球狀珠光體，球化率高達95%，成功消除了桿狀和塊狀組織，其硬度在163～169HBW之間，非常適合冷加工。

試驗1－3是傳統的球化退火熱處理方法，均有不同程度的馬氏體和殘余奧氏體存在，其中試驗1和試驗2都在760℃保溫了一定時間，會發生部分奧氏體化，這種奧氏體非常穩定，在珠光體和貝氏體轉變區均沒有發生轉變。這種奧氏體稱之為過冷奧氏體，直至200℃左右，其迅速發生轉變，一部分轉變為馬氏體，一部分仍然為殘余奧氏體。之所以試驗1比試驗2有更多的這種組織存在，是因為試驗1在760℃保溫的時間更長，奧氏體化更充分。試驗3沒有奧氏體化的階段，但也有少量的塊狀組織，這是因為18CrNiMo7－6鋼的熱軋材組織有部分的殘余奧氏體，該殘余奧氏體在720℃的條件下沒有發生分解。試驗4消除了該塊狀組織，因為在720℃球化溫度之前增加了4個小時的500℃保溫時間。從圖3CCT曲線上看，該溫度是貝氏體轉化溫度，在500℃保溫4h的條件下，殘余奧氏體發生了貝氏體轉變，這為后續的等溫球化退火創造了條件，最終該工藝方案實現了高球化率，并消除了殘余奧氏體，且硬度較低，均勻性也很好。

圖6 1000倍顯微組織，試驗1組織（a），試驗2組織（b），試驗3組織（c），試驗4組織（d）Fig.6 Microstructure at 1000X，Structure of test1（a），Structure of test2（b），Structure of test3（c），Structure of test4（d）

圖7 掃描電鏡5000倍照片Fig.7 Scanning electron micrograph at 5000X

4 結論

（1）對低碳高合金齒輪鋼18CrNiMo7－6，采用傳統的球化退火方法均不能在獲得高球化率的同時消除殘余奧氏體。

（2）因18CrNiMo7－6鋼原始組織存在殘余奧氏體，通過在貝氏體轉化區間溫度保溫4h，可以消除殘余奧氏體，再通過等溫球化退火，可以獲得良好的球化率和硬度，完全能滿足冷加工的需要。