滲碳淬火工藝參數對17CrNiMo6鋼性能的影響

劉娜

采埃孚（天津）風電有限公司 天津 300402

1 序言

滲碳過程是指使碳原子滲入到鋼表面層的過程，也是使低碳鋼的工件具有高碳鋼的表面層，再經過淬火和低溫回火處理，工件的表面層具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持著低碳鋼固有的韌性和塑性。但滲碳過程中，容易形成網狀或角塊狀碳化物，降低齒輪的疲勞強度和耐磨性，嚴重縮短滲碳零件的使用壽命，且在淬火或機械加工中易產生裂紋。表面獲得彌散分布的顆粒狀碳化物可有效提高齒輪的疲勞強度和耐磨性，有益于延長滲碳零件的使用壽命。較高的表面硬度可提高齒輪的接觸疲勞抗力，顯著延長其接觸疲勞壽命[1]。淬火的目的是使過冷奧氏體進行馬氏體或貝氏體轉變，得到馬氏體或貝氏體組織，然后配合以不同溫度的回火，以大幅提高鋼的強度、硬度、耐磨性、疲勞強度以及韌性等，從而滿足各種機械零件和工具的不同使用要求，也可以通過淬火滿足某些特種鋼材的鐵磁性、耐蝕性等特殊的物理性能或化學性能。

17CrNiMo6是德國DIN 17210—1986標準的鋼號，歐標為18CrNiMo7-6。17CrNiMo6鋼主要用于高強度滲碳齒輪，如重型汽車及重型汽車起重機變速箱齒輪、風力發電機組齒輪等承受著突然變載的沖擊載荷及周期性變動的彎曲載荷和復雜應力的齒輪，可能會造成輪齒的脆性斷裂或彎曲疲勞破壞[2]。輪齒的工作面承受著較大的應力及摩擦力，會造成麻點接觸疲勞破壞及深層剝落。因此，變速箱齒輪應具有高的抗彎強度、接觸疲勞強度，其表面應具有高的硬度和耐磨性，而心部應具有足夠的強度和韌性，從而要求這些齒輪所用材料應具有較高的綜合力學性能。Cr-Ni-Mo系鋼17CrNiMo6由于良好的綜合力學性能正逐漸被廣泛應用。

本文為獲得彌散分布的顆粒狀碳化物及較高的表面硬度[3]，并且工件的中心部分仍然保持著低碳鋼固有的韌性和塑性，對17CrNiMo6的滲碳工藝參數進行了優化，并和常規的滲碳直接淬火工藝進行對比，分析了經過兩種不同的滲碳工藝參數處理后，試樣的綜合力學性能的差別及原因。

2 試驗過程

2.1 試驗材料

本次試驗選用的材料為17CrNiMo6鍛圓鋼，其生產工藝為：電爐→LF爐→VD爐→模鑄→鍛造→預先熱處理，其化學成分見表1。

表1 17CrNiMo6鋼的化學成分（質量分數）（%）

2.2 滲碳工藝過程

滲碳過程在井式氣體滲碳爐中進行，試件裝爐前使用清洗劑清洗干凈、晾干，17CrNiMo6試件采用變碳勢滲層滲碳工藝，600℃通入氮氣，750℃通入甲醇，900℃通入丙烷。變碳勢滲碳的主要目的是獲得均勻的滲碳層，防止網狀或塊狀碳化物的產生。采用井式回火爐進行回火，回火溫度為170℃[4]。此外，本次試驗采用兩種不同的滲碳淬火工藝，其中一種是常規滲碳直接淬火工藝，另一種是滲碳完畢后進行600℃保溫、再升溫至840℃進行淬火，工藝曲線分別如圖1、圖2 所示。

圖1 17CrNiMo6試件滲碳后直接淬火回火工藝曲線

圖2 17CrNiMo6試件滲碳后進行600℃保溫再升溫淬火回火工藝曲線

2.3 檢驗儀器的選擇

對滲碳淬火后的試件進行檢測，所選用的儀器分別是洛氏硬度計、維氏硬度計（HV30）、顯微硬度計、金相顯微鏡、碳硫分析儀等。

3 試驗結果與分析

3.1 檢測結果對比

分別對經過兩種不同工藝處理后的試件進行硬度檢測、金相組織檢測及綜合力學性能檢測。

（1）表面硬度對比 對經過常規滲碳淬火處理的試件和滲碳后600℃保溫再淬火的試件進行表面硬度檢測，表面硬度要求為58～62HRC，采用洛氏硬度計進行測量，每個試件上分別測量三次，計算其平均值為表面硬度值，見表2。

表2 兩種不同工藝處理后的試件的表面硬度

滲碳后經600℃保溫再淬火的試件的表面硬度略高于常規滲碳淬火處理試件的表面硬度。

（2）心部硬度對比 對經過常規滲碳淬火處理的試件和滲碳后600℃保溫再淬火的試件進行心部硬度檢測，心部硬度要求為≥340HV30，采用維氏硬度計進行測量，加載載荷力為30kg（1kg=9.8N），每個試件上分別測量三次，計算其平均值為心部硬度值，見表3。

表3 兩種不同工藝處理后的試件的心部硬度

滲碳后經600℃保溫再淬火試件的心部硬度略低于常規滲碳淬火處理試件的心部硬度。

（3）金相組織對比 對經過常規滲碳淬火處理和滲碳后600℃保溫再淬火的試件進行金相組織觀察，使用金相顯微鏡在不同的放大倍數下，分別對表面組織（500×）、心部組織（200×）和晶界氧化（1000×）進行觀察。如圖3、圖4所示，其中：圖3a為常規滲碳淬火處理后，試件的表面顯微組織（500×），圖3b為常規滲碳淬火處理后，試件的心部組織（200×），圖3c為常規滲碳淬火處理后，試件的晶界氧化（1000×），圖4a為滲碳后600℃保溫再淬火處理后，試件的表面顯微組織（500×），圖4b為滲碳后600℃保溫再淬火處理后，試件的心部組織（200×），圖4c為滲碳后600℃保溫再淬火處理后，試件的晶界氧化（1000×）。

從圖3a和圖4a中可以明顯看出，滲碳后經600℃保溫再淬火的試件，其表面馬氏體更加細化且碳化物呈彌散分布的顆粒狀，殘留奧氏體量明顯降低。

（4）晶粒度級別對比 對經過常規滲碳淬火處理和滲碳后經600℃保溫再淬火的試件進行晶粒度級別的對比，晶粒度級別要求是＞5級。圖5為常規滲碳淬火處理后的晶粒度（100×），晶粒度級別為7級，圖6為滲碳后600℃保溫再淬火處理后的晶粒度（100×），晶粒度級別為8.5級。

圖3 常規滲碳淬火處理金相

圖4 滲碳后600℃保溫再淬火處理后金相

從圖5和圖6中可以看出，滲碳后經600℃保溫再淬火的試件，其晶粒度被細化，平均晶粒度等級更高。

（5）綜合力學性能參數對比 對經過常規滲碳淬火處理的試件和滲碳后經600℃保溫再淬火的試件進行性能試驗，性能數據對比見表4。

圖5 晶粒度7級（100×）

圖6 晶粒度8.5級（100×）

表4 兩種不同工藝處理后的試件的性能數值

從上述數據可以看出，經過兩種不同工藝處理后的試件的性能數值均能滿足性能要求，但滲碳后經600℃保溫再淬火的試件的屈服強度和沖擊吸收能量略高于常規滲碳淬火試件。

3.2 兩種滲碳工藝差異分析

（1）碳濃度的影響 由于17CrNiMo6材料本身富含有碳化物形成元素，其中碳化物形成元素將增大鋼表面吸收碳原子的能力，阻礙碳在奧氏體中的擴散，提高滲碳層表面碳濃度。此種材料采用變碳勢滲碳，可以獲得更加均勻的滲碳層，有效防止網狀或塊狀碳化物的產生。

（2）溫度的影響 試件采用改進后的滲碳工藝，增加600℃保溫階段，然后再升溫至840℃進行淬火，相當于增加了一次對試件進行晶粒細化的過程，使試件表面獲得彌散分布的顆粒狀碳化物的組織，提高了試件的表面硬度，進一步提高了試件的接觸疲勞強度和耐磨性，與此同時細化了心部組織，提高了試件的屈服強度和沖擊吸收能量。

4 結束語

1）改進后的工藝，使試件的表面硬度提高。

2）改進后的工藝，使試件的表面組織更加均勻細化，表面獲得彌散分布的顆粒狀碳化物的組織，有效提高了試件的接觸疲勞強度和耐磨性。

3）改進后的工藝，細化了心部組織，提高了晶粒度級別，進一步提高了試件的屈服強度和沖擊吸收能量。

通過熱處理工藝技術的改進，對用于重型汽車及重型汽車起重機變速箱齒輪、風力發電機組齒輪等承受著突然變載的沖擊載荷及周期性變動的彎曲載荷和復雜應力的齒輪，進一步改善了其組織，提高了綜合力學性能，更好地滿足了產品的需要。