12CrNi3A鋼制螺塞滲碳淬火工藝研究

王大宏， 林昊昱，王錚，張金卓，王占鴻

1.大連長(zhǎng)豐實(shí)業(yè)總公司 遼寧大連 116038

2.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 吉林長(zhǎng)春 130000

1 序言

12CrNi3A鋼有較高的淬透性，經(jīng)淬火和回火后有良好的綜合力學(xué)性能，它的低溫韌性好，缺口敏感性小，常用于制造要求表面硬度高而心部有良好綜合力學(xué)性能的滲碳件[1]。12CrNi3A鋼制螺塞為某型機(jī)前起落架轉(zhuǎn)彎功能用分流頭附件的一個(gè)重要基礎(chǔ)零件，與軸配合使用，在工作時(shí)承受扭轉(zhuǎn)非對(duì)稱交變載荷和一定的沖擊載荷，摩擦受力極不均勻，因此工作面需要較高的硬度，零件心部需具有較優(yōu)的綜合力學(xué)性能。根據(jù)圖樣要求，螺塞需要局部滲碳并進(jìn)行強(qiáng)化熱處理。螺塞結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 螺塞結(jié)構(gòu)

技術(shù)要求螺塞內(nèi)K面滲碳深度h＝0.4～0.7mm，硬度≥56HRC，心部硬度32～42HRC。本文通過滲碳、淬火處理工藝試驗(yàn)，驗(yàn)證技術(shù)措施的有效性，探討滲碳后不同強(qiáng)化熱處理工藝對(duì)性能和組織的影響，并優(yōu)化熱處理工藝，為指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐提供技術(shù)參考。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用12CrNi3A鋼是航空用鋼，為撫順特殊鋼股份有限公司生產(chǎn)的φ35mm電渣冶煉棒材。采用高頻電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀檢測(cè)材料化學(xué)成分，見表1。相比GJB 1951—1994《航空用優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼棒規(guī)范》中12CrNi3A鋼的化學(xué)成分，試樣材質(zhì)合格。通過金相法測(cè)試原始材料晶粒度等級(jí)為7級(jí)。

表1 12CrNi3A鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)使用傳統(tǒng)RQ-35-9井式滲碳爐，航空煤油+甲醇在910～930℃下裂解的工藝方法進(jìn)行氣體滲碳，該滲碳生產(chǎn)設(shè)備及工藝方法較為傳統(tǒng)，中淺滲碳層不易控制。考慮到隨后熱處理工序繁多，極易造成表面滲層脫碳、貧碳，從而降低螺塞的疲勞強(qiáng)度，影響使用的可靠性，為此，對(duì)K面采取預(yù)留內(nèi)孔機(jī)加工余量至φ17.7+0.1+0.01mm，經(jīng)滲碳和熱處理后再精磨至φ18+0.0180mm制造工藝路線，運(yùn)用工藝尺寸鏈計(jì)算[2]，調(diào)整滲碳層深度為0.55～0.80mm。為了實(shí)現(xiàn)重要特性（滲碳層深度及硬度）100%可檢測(cè)，調(diào)整螺塞制造工藝，對(duì)其半成品進(jìn)行滲碳和熱處理，隨后進(jìn)行精加工成形，截取工藝夾頭進(jìn)行滲層重要特性檢測(cè)，具體滲碳工藝見表2。

表2 滲碳工藝

試驗(yàn)用螺塞半成品與拉力試樣同爐滲碳，并按 HB/Z 159—2001《航空用鋼滲碳、碳氮共滲工藝》規(guī)定[3]進(jìn)行高溫回火（650℃×4h，空冷）+正火（900℃×60min，空冷）+淬火。其中淬火分別選取780～820℃，油冷；820～850℃，油冷；二次淬火（第一次850～870℃，油冷；第二次790～820℃，油冷）三種工藝方法進(jìn)行試驗(yàn)。螺塞半成品及隨爐力學(xué)性能試樣分別如圖2、圖3所示，本試驗(yàn)強(qiáng)化熱處理工藝參數(shù)見表3。

表3 強(qiáng)化熱處理工藝參數(shù)

圖2 螺塞半成品示意

圖3 力學(xué)性能試樣

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 滲碳層

對(duì)螺塞試樣沿軸向切剖，采用維氏硬度測(cè)定方法，沿滲碳層由表及里測(cè)定有效硬化層，從而間接確定滲碳層深度，硬化曲線如圖4所示。

圖4 硬化曲線

由圖4可見，試樣不同位置的滲碳層深度分別為0.765mm、0.770mm、0.771mm，且滲碳層深度均勻性＜0.1mm。滲碳層深度滿足0.55～0.80mm控制要求，即本試驗(yàn)采用的制造工藝路線和滲碳工藝參數(shù)加工的螺塞半成品，通過后續(xù)精加工可實(shí)現(xiàn)K面滲碳深度h=0.4～0.7mm的圖樣技術(shù)要求。

3.2 力學(xué)性能

采用拉伸試驗(yàn)機(jī)和硬度計(jì)檢測(cè)試樣的力學(xué)性能和硬度，結(jié)果見表4。

表4 試樣的力學(xué)性能和硬度

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用不同強(qiáng)化熱處理工藝參數(shù)的非滲碳的2#、4#、6#試樣，抗拉強(qiáng)度分別為1296MPa、1297MPa、1312MPa，Ⅰ組、Ⅱ組、Ⅲ組試樣，心部硬度值分別為41HRC、40.5HRC、41.5HRC。由此可判斷，3種強(qiáng)化熱處理工藝方法對(duì)12CrNi3A鋼基體力學(xué)性能宏觀影響不大。對(duì)于1#、3#、5#滲碳試樣，在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)后，宏觀斷口均無(wú)明顯頸縮，為典型的脆性斷裂，鑒于斷口位置偏離試樣中心，接近于夾持附近，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏離較大，不做分析評(píng)價(jià)。而1#、3#、5#滲碳試樣滲碳層硬度檢測(cè)表明，采用二次淬火工藝方法所獲得的滲碳層硬度最高，達(dá)到了59HRC，而另外兩種強(qiáng)化熱處理工藝方法所獲得的滲碳層硬度值接近57HRC、56HRC，雖然符合圖樣技術(shù)要求，但均接近下限。從滲碳的本質(zhì)意義角度來講，高的表層硬度對(duì)于抗磨損和抗疲勞都是極為重要的，在表層碳含量相近的情況下，鋼件滲碳后不同的熱處理工藝方法所形成的組織將直接影響其性能[4]。顯然，本試驗(yàn)二次淬火強(qiáng)化工藝更能提升材料滲碳后的宏觀硬度性能。

3.3 金相組織

制備金相試樣經(jīng)3%～5%硝酸酒精溶液腐蝕后，使用Axiosope5蔡司智能金相顯微鏡觀察螺塞半成品滲碳淬火后的金相組織，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ組試樣的金相組織如圖5所示。

圖5 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ組試樣的金相組織

滲碳層金相組織為細(xì)針馬氏體+少量殘留奧氏體，碳化物幾乎不可見。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ組試樣滲碳層相比，Ⅱ組試樣馬氏體組織略顯粗大。按GB/T 25744—2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗(yàn)》評(píng)定：Ⅱ組試樣馬氏體評(píng)級(jí)為3級(jí)，Ⅰ、Ⅲ組試樣馬氏體評(píng)級(jí)為2級(jí)；3組試樣滲碳層殘留奧氏體評(píng)級(jí)為1級(jí)，網(wǎng)狀碳化物為1級(jí)。3組試樣心部金相組織為板條馬氏體+條狀、塊狀鐵素體，按GB/T 25744—2010評(píng)定：心部組織為4級(jí)。由此可以表明，不同強(qiáng)化熱處理工藝的3組試樣金相組織全部合格。

相關(guān)資料表明，12CrNi3A鋼作為高強(qiáng)度滲碳鋼（抗拉強(qiáng)度＞1200MPa），Cr、Ni元素的加入使其奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線（C曲線）右移，從而大大提高了鋼的淬透性。表層滲碳后，隨著碳含量的增加，其馬氏體轉(zhuǎn)變溫度也急劇下降，將使?jié)B碳層在淬火后保留大量的殘留奧氏體[5]。由于本試驗(yàn)采用冷處理的工藝方法，使殘留奧氏體能夠較為充分地轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，故組織中殘留奧氏體量較少。同時(shí)，試樣用鋼原始晶粒度等級(jí)較高，原始晶粒細(xì)小，加之滲碳后采取了高溫回火+正火預(yù)備熱處理方式，消除了滲碳后表層碳濃度高的網(wǎng)狀碳化物，從而滲碳層組織中碳化物幾乎不可見。3組試驗(yàn)心部組織中均有可見條狀、塊狀鐵素體組織，應(yīng)是源于試樣熱容量小（件數(shù)較少），在真空淬火時(shí)由熱室向冷室轉(zhuǎn)移過程中熱量損失較大，可能導(dǎo)致宏觀表現(xiàn)為油淬冷卻能力不夠，關(guān)于這一點(diǎn)在后續(xù)生產(chǎn)中還應(yīng)加以驗(yàn)證，如有必要還需增加攪拌或更換真空淬火油等技術(shù)措施。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）通過科學(xué)調(diào)整滲碳層余量再進(jìn)行精磨加工的方式，可滿足圖樣滲碳層厚度的技術(shù)要求。

2）通過增加螺塞內(nèi)孔長(zhǎng)度預(yù)留工藝夾頭，全部完工后檢測(cè)工藝夾頭的滲碳層性能（硬度和深度），可實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵零件重要特性的100%檢測(cè)。

3）對(duì)于原始晶粒度級(jí)別較高的12CrNi3A鋼，采取標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的三種強(qiáng)化熱處理工藝方法，均可實(shí)現(xiàn)預(yù)期技術(shù)性能指標(biāo)。相比于宏觀力學(xué)性能和微觀組織而言，二次淬火的工藝方法獲得的微觀組織和宏觀性能更為優(yōu)越。