提高航空滲碳制件的表面硬度

廖庚峰，李豐，李彩虹，熊路蘭，胡立嵩，黃家瑞，楊曦陽(yáng)，漆誠(chéng)

江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 江西南昌 330095

1 序言

滲碳通常是對(duì)低碳鋼或低碳合金鋼表面滲入碳原子，使制件表面獲得高碳滲層，經(jīng)滲碳及后續(xù)熱處理，可改變制件表面的組織，提高硬度和耐磨性，且可增加制件表面的抗疲勞性能。航空制件常用滲碳材料有12CrNi3A鋼和18Cr2Ni4WA鋼。多數(shù)制件滲碳深度要求為0.70～1.00mm，表面硬度要求為58.0～63.0HRC，部分制件表面硬度要求為60.0～65.0HRC。在真空滲碳及后續(xù)熱處理后表面硬度多數(shù)為58.0～59.0HRC，無(wú)法滿足表面硬度＞60.0HRC的制件要求。

本文對(duì)真空滲碳及熱處理工藝進(jìn)行試驗(yàn)，以獲得高的滲碳制件的表面硬度，為生產(chǎn)過(guò)程提供參考意見(jiàn)。

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為12CrNi3A鋼、18Cr2Ni4WA鋼和20鋼，前兩種材料是航空制件常用滲碳材料，主要制作活塞桿、接頭、錐形圈等，這些制件表面要求高硬度、高耐磨性，中心要求具有良好的韌度；20鋼滲碳主要用于軸、銷類件。工藝試驗(yàn)中對(duì)碳濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以確定最佳的碳濃度參數(shù)，以利于指導(dǎo)生產(chǎn)。三種鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

2.1 試驗(yàn)條件

用2.0VP-4035/36N臥室真空滲碳爐進(jìn)行滲碳；滲碳介質(zhì)：乙炔和乙烯；真空滲碳工藝采用VacCard模擬軟件；標(biāo)準(zhǔn)為HB 5493—2011《航空鋼制件滲碳、碳氮共滲滲層深度測(cè)定方法》和H B 5492—2011《航空鋼制件滲碳、碳氮共滲金相組織檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》；檢測(cè)儀器為HVS-1000A顯微硬度計(jì)和LEICA DMI5000M金相顯微鏡進(jìn)行滲碳深度測(cè)定和金相組織檢驗(yàn)，用HR-150A洛氏硬度計(jì)進(jìn)行滲層表面及中心硬度檢測(cè)。

表1 三種材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.2 工藝路線

真空滲碳→滲層深度測(cè)定→熱處理→硬度檢測(cè)及金相組織檢驗(yàn)。

2.3 工藝參數(shù)的選擇

根據(jù)Harris關(guān)系式（1）、式（2），可確定總滲碳深度d、滲碳溫度T、總滲碳時(shí)間t、強(qiáng)滲時(shí)間tc、擴(kuò)散時(shí)間td、表面碳濃度C之間的關(guān)系[1]，低合金鋼滲碳時(shí)表面碳濃度一般為0.70%～0.90%，在此基礎(chǔ)上編制真空滲碳工藝1、工藝2（見(jiàn)表2），試驗(yàn)方法為12CrNi3A鋼、18Cr2Ni4WA鋼、20鋼三種材料分別采用工藝1、工藝2同爐滲碳，滲碳后0.4bar（1bar＝105Pa）N2冷卻，后續(xù)熱處理工藝見(jiàn)表3、表4。

表2 真空滲碳工藝

表3 三種材料的原始組織準(zhǔn)備

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 滲碳層深度

滲碳層深度一般有總滲碳層深度、有效滲層深度、有效硬化層深度幾個(gè)概念，通常講的滲碳層深度為有效滲層深度或有效硬化層深度，依據(jù)HB 5493—2011《航空鋼制件滲碳、碳氮共滲滲層深度測(cè)定方法》，工作中常采用硬度法和金相法，選擇哪種方法測(cè)定，應(yīng)與制件加工流程相適應(yīng)，或與客戶溝通一致，維氏硬度法是推薦方法和仲裁方法。

表4 三種材料滲碳后的熱處理工藝

表1所列滲碳工藝1、工藝2中有關(guān)材料的滲碳層深度測(cè)定值見(jiàn)表5。采用維氏硬度法測(cè)的滲層深度略高于金相法，其中維氏硬度測(cè)量方法較為準(zhǔn)確，國(guó)外應(yīng)用較多，而金相法受人為因素影響較大。滲層深度與加熱溫度、冷卻方式、試樣大小、材料成分有一定關(guān)系。

18Cr2Ni4WA鋼采用工藝1滲碳后，金相法、硬度法測(cè)得等溫狀態(tài)試樣的滲層深度為0.85mm（見(jiàn)圖1），該試樣按滲碳后續(xù)熱處理工藝9處理，維氏硬度法測(cè)得滲層深度為0.90mm（見(jiàn)圖2）。

工藝1、工藝2中的20鋼采用金相法與硬度法檢測(cè)的滲層深度偏差較大，這是由于強(qiáng)滲時(shí)間較短、過(guò)共析和共析區(qū)偏少、過(guò)渡區(qū)較長(zhǎng)而造成的。20鋼采用工藝2滲碳時(shí)，總滲碳深度為1.2mm（見(jiàn)圖3），過(guò)共析＋共析區(qū)只有0.2mm，依據(jù)“低碳鋼和低碳合金鋼滲層深度為相當(dāng)于過(guò)共析＋共析＋1/2過(guò)渡區(qū)之總和”，滲層深度為0.7mm。

表5 不同滲碳工藝下三種材料滲碳層深度（mm）

在相同的滲碳溫度、滲碳總時(shí)間、強(qiáng)滲時(shí)間的情況下，12CrNi3A鋼滲碳層深度較低，因?yàn)槠浠w碳含量低，Ni又是減小滲碳層深度的元素，所以工藝2中12CrNi3A鋼金相法測(cè)定滲層深度僅為0.82mm（見(jiàn)圖4），即0.5＋（1.14-0.5）/2（m m）＝0.82mm。

圖1 等溫態(tài)滲層深度0.85mm（100×）

圖2 滲碳后續(xù)熱處理工藝態(tài)滲層深度0.90mm（100×）

圖3 20鋼采用工藝2滲碳（退火態(tài)100×）

圖4 12CrNi3A鋼采用工藝2滲碳（退火態(tài)100×）

3.2 表面碳濃度

表面碳濃度是指表面至0.10mm處碳含量，一般滲碳件要求0.70%～1.00%，碳素鋼取上限，合金鋼取下限。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，滲碳后降溫淬火的表面碳濃度取下限，以減少滲層殘留奧氏體，滲碳后重新加熱淬火的表面碳濃度應(yīng)略微高些，因?yàn)榧訜釡囟鹊停貢r(shí)間短，所以碳不能充分溶于奧氏體。檢測(cè)表層碳含量一般采取化學(xué)（剝層）法，雖然實(shí)際操作過(guò)程較為復(fù)雜，但是準(zhǔn)確性較高。目前，應(yīng)用較普遍的是直讀光譜儀，精確且快。受條件限止，目前只能采取金相法估算表面碳濃度，試樣采用表3的普通退火工藝來(lái)獲得平衡組織。

20鋼在工藝1中所得滲層表層組織為片狀珠光體+鐵素體（見(jiàn)圖5、圖6），片狀珠光體約占90%，表層碳濃度約為0.70%；工藝2所得滲層表層組織為片狀珠光體（見(jiàn)圖7、圖8），表層碳濃度約為0.85%。合金鋼因合金元素的影響，共析點(diǎn)將發(fā)生轉(zhuǎn)變，12CrNi3A鋼共析點(diǎn)碳濃度約為0.65%，在工藝1、工藝2中所得滲層表面組織如圖9、圖10所示。在同工藝退火情況下，珠光體的粗細(xì)和有無(wú)碳化物網(wǎng)狀將反映表面碳濃度。當(dāng)wC為0.80%左右時(shí)，為片狀珠光體；當(dāng)wC＜0.80%較多時(shí)，為極細(xì)的珠光體，部分區(qū)域?yàn)槠瑺钪楣怏w；當(dāng)wC＞0.85%時(shí)，晶界出現(xiàn)滲碳體；當(dāng)wC＞0.90%時(shí)，將開(kāi)始形成滲碳體網(wǎng)狀；當(dāng)wC＞1.0%時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的網(wǎng)狀滲碳體（見(jiàn)圖11），且碳含量越高，滲碳體網(wǎng)狀越嚴(yán)重。

圖6 20鋼采用工藝1滲碳（退火態(tài)500×）

圖7 20鋼采用工藝2滲碳（退火態(tài)200×）

圖8 20鋼采用工藝2滲碳（退火態(tài)500×）

圖9 12CrNi3A鋼采用工藝1滲碳（退火態(tài)1000×）

圖10 12CrNi3A鋼采用工藝2滲碳（退火態(tài)1000×）

圖11 12CrNi3A鋼表面碳濃度1.0%（退火態(tài)500×）

3.3 硬度分析

對(duì)滲碳工藝1、工藝2中處理的三種材料按表4工藝進(jìn)行后續(xù)熱處理，用洛氏硬度計(jì)檢測(cè)滲碳層表面硬度及中心硬度，每件試樣檢測(cè)5個(gè)值，平均值見(jiàn)表6。

表6 不同滲碳后續(xù)熱處理工藝硬度值 （HRC）

滲碳工藝1中的試樣表面碳濃度在0.70%左右，經(jīng)淬火、冷處理、回火，合金鋼表面硬度低于60.0HRC；滲碳工藝2的試樣表面碳濃度在0.85%左右，經(jīng)淬火、冷處理、回火后，表面硬度＞60.0HRC；中心硬度主要與原材料碳含量和合金元素有關(guān)，合金元素在提高淬透性的前提下，夠能使中心獲得較高的硬度，18Cr2Ni4WA鋼中心硬度約為42.0HRC，12CrNi3A鋼中心硬度約為38.0HRC；滲碳后的20鋼淬火加熱，因無(wú)合金碳化物，碳充分溶解于奧氏體，淬火冷卻時(shí)馬氏體碳含量高，所以淬火硬度最高。

12C r N i3A鋼滲層淬火后的硬度與冷處理后的硬度相差不大，幾乎都是63.0H R C左右，而18Cr2Ni4WA鋼滲層經(jīng)淬火及冷處理后，表面硬度提高明顯，這是由于12CrNi3A鋼的Ms點(diǎn)為409℃，18Cr2Ni4WA鋼的Ms點(diǎn)為300℃，滲碳后，由于表層碳含量的增加，Ms將降低。

Ms點(diǎn)可憑經(jīng)驗(yàn)公式估算，如滲碳后表面碳濃度0.85%，12CrNi3A鋼中心wC＝0.12%，滲層的Ms＝409-（0.85-0.12）×350（℃）＝154℃；而18Cr2Ni4W鋼的中心wC＝0.17%，滲層的Ms＝300-（0.85-0.17）×350（℃）＝62℃，Ms點(diǎn)非常低，淬火后殘留奧氏體較多；如需得到90%以上的馬氏體，12CrNi3A鋼的Mf（90%M）＝154-110（℃）≈44℃，18Cr2Ni4W鋼的Mf（90%M）＝62-110（℃）≈-50℃，所以冷處理溫度一般為-60～-80℃，繼續(xù)降低冷處理溫度，雖能提高馬氏體含量，但需要超低溫設(shè)備，M f（100%M）＝60-230（℃）＝ -170℃，對(duì)普通零件已經(jīng)沒(méi)有必要；18Cr2Ni4WA鋼在有冷處理工序情況下，高溫回火、正火工序?qū)B層最終表面硬度沒(méi)有影響；降低18Cr2Ni4W鋼的淬火加熱溫度，雖能減少殘留奧氏體量，提高表面硬度，但也降低了中心硬度。

不同表面碳濃度的12CrNi3A鋼、18Cr2Ni4WA鋼在經(jīng)過(guò)冷處理后，幾乎都能達(dá)到64.0HRC，但經(jīng)過(guò)160℃低溫回火3h后，表面碳濃度0.70%的試樣，表面硬度＜60.0HRC，而表面碳濃度0.85%的試樣，表面硬度＞60.0HRC，這是基于高碳鋼在低于200℃回火，會(huì)析出細(xì)小的ε碳化物，含碳量越高，析出的碳化物越多，彌散強(qiáng)化效果越好，在相同溫度下回火，碳含量高的試樣比碳含量低的硬度要高[2]。

3.4 金相組織

12CrNi3A鋼在滲碳后經(jīng)表4中的工藝3熱處理后的金相組織，表層組織為隱針狀馬氏體，隨碳含量的提高，會(huì)出現(xiàn)少量殘留奧氏體和顆粒狀碳化物；中心組織為板條狀馬氏體和極少量的鐵素體，如圖12、圖13所示。18Cr2Ni4WA鋼在滲碳后經(jīng)表4熱處理后的金相組織，表層組織為針狀馬氏體+殘留奧氏體，隨碳含量的提高，殘留奧氏體增多，同時(shí)出現(xiàn)顆粒狀碳化物；中心組織為板條狀馬氏體，如圖14、圖15所示。

圖12 12CrNi3A鋼滲層隱針狀馬氏體（500×）

圖13 12CrNi3A鋼中心板條狀馬氏體（500×）

圖14 18Cr2Ni4WA鋼針狀馬氏體+極少碳化物（500×）

圖15 18Cr2Ni4WA鋼中心板條馬氏體（500×）

依據(jù)H B 5492—2011《航空鋼制件滲碳、碳氮共滲金相組織檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》評(píng)定，工藝1中的12CrNi3A鋼中心組織為2級(jí)，殘留奧氏體及馬氏體1級(jí)，碳化物1級(jí)，金相組織符合標(biāo)準(zhǔn)要求；工藝1中的18Cr2Ni4WA鋼中心組織為1級(jí)，殘留奧氏體及馬氏體2級(jí)，碳化物1級(jí)，金相組織符合標(biāo)準(zhǔn)要求；工藝2中的12CrNi3A鋼中心組織為2級(jí)，殘留奧氏體及馬氏體1級(jí)，碳化物2級(jí)，金相組織符合標(biāo)準(zhǔn)要求；工藝2中的18Cr2Ni4WA鋼中心組織為1級(jí)，殘留奧氏體及馬氏體2級(jí)，碳化物2級(jí)，金相組織符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 補(bǔ)滲

對(duì)工藝1中的試樣按照以下工藝進(jìn)行補(bǔ)滲：溫度880℃、強(qiáng)滲4min、擴(kuò)散20min；其滲碳層深度增加＜0.05mm（見(jiàn)圖16、圖17），表面碳濃度由0.70%增加至0.85%～0.90%（見(jiàn)圖18、圖19）。補(bǔ)滲后的12CrNi3A鋼按表4中的工藝3處理，表面硬度為61.0HRC；補(bǔ)滲后的18Cr2Ni4WA鋼按表4中的工藝5處理，表面硬度為61.5HRC；補(bǔ)滲后的20鋼按表4中的工藝10處理，表面硬度為63.0HRC。

圖16 12CrNi3A鋼補(bǔ)滲 （退火態(tài) 100×）

圖17 20鋼補(bǔ)滲 （退火態(tài) 100×）

圖18 20鋼補(bǔ)滲后表層 （退火態(tài)1000×)

圖19 12CrNi3A補(bǔ)滲后表層（退火態(tài)1000×）

5 注意事項(xiàng)

1）滲碳原材料的碳含量和組織均勻性，將影響表面碳濃度，在滲碳工藝1中，對(duì)20鋼進(jìn)行表面碳濃度估算時(shí)，同一試樣上出現(xiàn)表層碳含量不均勻，有些地方的wC為0.65%，有些地方的wC為0.80%。

2）滲碳后650℃高溫回火3h，表層幾乎不脫碳，650℃較低，試樣表面形成致密的氧化膜，阻止了繼續(xù)氧化或脫碳，這與試樣表面潔凈、表面粗糙度值低有一定的關(guān)系。

3）試樣在850℃進(jìn)行退火時(shí)，當(dāng)3#熱處理保護(hù)涂料使用不當(dāng)時(shí)，會(huì)造成輕微的脫碳。

4）18Cr2Ni4WA鋼進(jìn)行950℃正火時(shí)，可消除滲碳體網(wǎng)狀，但正火會(huì)造成試樣表面氧化與脫碳，使表面硬度偏低，當(dāng)滲碳表面碳濃度較低時(shí)，無(wú)碳化物網(wǎng)狀，可不需正火處理。

6 結(jié)束語(yǔ)

1）在同一滲碳溫度下，總滲碳時(shí)間相同時(shí)，強(qiáng)滲時(shí)間越長(zhǎng)，表面碳濃度越高，有效硬化層深度略有增加。

2）冷處理能減少18Cr2Ni4WA鋼的殘留奧氏體量，提高表面硬度。但若需要提高12CrNi3A鋼和18Cr2Ni4WA鋼回火后的表面硬度，則可以通過(guò)提高滲碳時(shí)的表面碳濃度，達(dá)到較高的表面硬度。

3）表面碳濃度為0.70%和0.85%的試樣淬火、回火后，組織均滿足HB 5492—2011《航空鋼制件滲碳、碳氮共滲金相組織檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的相關(guān)要求。

4）對(duì)表面碳濃度為0.70%的試樣進(jìn)行補(bǔ)滲，淬火、回火后的表面硬度＞60.0HRC，有效硬化層深度幾乎沒(méi)有增加。