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18CrNiMo7-6鋼深層滲碳工藝對組織性能的影響

近十多年來,風(fēng)力發(fā)電、高鐵等的高速發(fā)展,歐標(biāo)18CrNiMo7-6鋼被廣泛應(yīng)用于制造風(fēng)電變速箱齒輪、大模數(shù)齒輪、重載齒輪等。隨著齒輪模數(shù)增大,滲碳工藝要求有效硬化層深在3mm,甚至4mm或5mm以上。對于18CrNiMo7-6滲碳鋼硬化層深在3mm以上的滲碳工藝,國內(nèi)一直有不同的觀點(diǎn),而歐美都采用滲碳直接淬火工藝。因此,對18CrNiMo7-6鋼硬化層深在3mm以上,采用滲碳直接淬火和滲碳一次淬火兩種不同工藝,進(jìn)行金相組織、力學(xué)性能研究,為18CrNiMo7-6鋼滲碳熱處理提供工藝試驗依據(jù)。



試驗材料和試驗方法



試驗用18CrNiMo7-6鋼采用電弧爐真空脫氣冶煉,澆注成鋼錠,經(jīng)開坯、鍛造撥長,以及正火、高溫回火預(yù)先熱處理,制成φ30mm×180mm圓棒試樣,再進(jìn)行滲碳。試樣化學(xué)成分為wC=0.18%wSi=0.28%wMn=0.70%wCr=1.6%wMo=0.29%wNi=1.48%wP=0.013%wS=0.011%H2×10-6O20×10-6,其余為Fe


φ30mm×180mm圓棒試樣與齒輪一起在Aichelinφ1600mm×2000mm井式可控氣氛滲碳爐滲碳,滲碳溫度920930℃,滲碳強(qiáng)滲期碳勢控制在1.1%1.2%,強(qiáng)滲時間3845h,擴(kuò)散期碳勢為0.65%0.75%,擴(kuò)散時間為1420h。然后隨爐降溫。降溫至830850℃保溫0.5h出爐。其中兩件試樣直接入60℃G油淬火,淬火時間30min;另兩件試樣入緩冷爐緩慢冷卻至室溫,再隨零件進(jìn)Aichelin多用爐加熱,加熱溫度830850℃,碳勢為0.65%0.75%,保溫6h,入60℃G油淬火,淬火時間30min4件試樣均在160180℃回火6h,出爐空冷。滲碳淬火、低溫回火后按GB/T257442010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》和GB/T94502005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》進(jìn)行金相組織和有效硬化層深度檢驗。利用AXIOOBSERVER.AI金相顯微鏡觀察組織,利用FM700半自動顯微硬度計檢驗有效硬化層深度,利用CMT5303萬能試驗機(jī)進(jìn)行拉伸試驗,利用ZBC3302B沖擊試驗機(jī)進(jìn)行沖擊試驗。



試驗結(jié)果與討論



1.18CrNiMo7-6鋼滲碳直接淬火的組織性能

18CrNiMo7-6鋼滲碳直接淬火、低溫回火工藝曲線如圖1所示。


圖1 18CrNiMo7-6鋼滲碳直接淬火、低溫回火工藝曲線


試驗結(jié)果:滲碳層組織如圖2所示,C1級,M4級,殘留A4級,硬化層深度HV15503.84mm,表面硬度6061HRC;心部組織如圖3所示,為低碳馬氏體;心部硬度40HRC;晶粒度如圖4所示;力學(xué)性能如表1所示。


表1 18CrNiMo7-6滲碳直接淬火低溫回火后力學(xué)性能

抗拉強(qiáng)度

Rm/MPa

屈服強(qiáng)度

Rp0.2/MPa

伸長率

A%

斷面收縮率

Z%

沖擊吸收能量

KV/J

1229

1014

9

49

49


圖2 18CrNiMo7-6鋼滲碳層組織


圖3 18CrNiMo7-6鋼心部組織


圖4 18CrNiMo7-6鋼晶粒度


2.18CrNiMo7-6鋼滲碳一次淬火的組織性能

18CrNiMo7-6鋼滲碳、加熱淬火、低溫回火工藝曲線如圖5所示。


圖5  18CrNiMo7-6鋼滲碳、加熱淬火、低溫回火工藝曲線

試驗結(jié)果:滲碳層組織如圖6所示,C1級,M3級,殘留A2級,硬化層深HV15503.90mm表面硬度6061HRC;心部組織如圖7所示,為低碳馬氏體;心部硬度40HRC;晶粒度如圖8所示;力學(xué)性能如表2所示。

圖6 18CrNiMo7-6鋼滲碳層組織


圖7 18CrNiMo7-6鋼心部組織


圖8 18CrNiMo7-6鋼晶粒度   

表2 18CrNiMo7-6滲碳緩冷再加熱淬火低溫回火后力學(xué)性能

抗拉強(qiáng)度

Rm/MPa

屈服強(qiáng)度

Rp0.2/MPa

伸長率

A%

斷面收縮率

Z%

沖擊吸收能量

KV/J

1262

1048

9.5

51

45


3.討論

(1)力學(xué)性能

18CrNiMo7-6鋼滲碳直接淬火加低溫回火和滲碳緩冷再加熱淬火再低溫回火,兩種工藝熱處理后其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均很高,抗拉強(qiáng)度分別為1229MPa、1262MPa,屈服強(qiáng)度分別為1014MPa、1048MPa,塑性、韌性很好,伸長率分別為9%、9.5%,斷面收縮率分別為49%、51%,沖擊吸收能量分別為49J、45J。兩種不同的滲碳淬火方式,強(qiáng)度、塑性、韌性指標(biāo)很接近,這是因為18CrNiMo7-6鋼合金元素Cr在合金鋼中大部分溶于鐵素體,使鋼的等溫曲線右移,提高鋼的強(qiáng)度和淬透性,同時也提高鋼的硬度和耐磨性;合金元素Ni在平衡條件下幾乎完全溶于鐵素體,使鋼的等溫曲線右移,且Ni鋼在加熱時晶粒不易長大。Ni的良好作用在于含量增高時,能在適當(dāng)提高強(qiáng)度的同時,對塑性、韌性有良好的影響,尤其是低溫沖擊韌度值較高。鋼中同時加入Cr、Ni,除了Cr的強(qiáng)化作用,還可以保持Ni的良好作用,從而得到高的綜合力學(xué)性能。同時,由于Cr、Ni的相互作用,使鋼的淬透性提高很多,遠(yuǎn)超單獨(dú)元素的作用。少量Mo元素的加入有細(xì)化晶粒的作用,因此18CrNiMo7-6鋼滲碳、淬火、低溫回火后強(qiáng)度高,塑韌性好。


(2)組織

18CrNiMo7-6鋼滲碳直接淬火加低溫回火和滲碳緩冷再加熱淬火再低溫回火,兩種工藝熱處理后滲碳層金相組織分別為馬氏體4級和3級,殘留奧氏體分別為4級和2級,碳化物均為1級,心部為低碳馬氏體,實際晶粒度均為7~8級。滲碳直接淬火+低溫回火后,馬氏體和殘留奧氏體級別比滲碳、緩冷、加熱淬火+低溫回火高1級和2級,碳化物和心部組織均一樣。因為,Ni與鐵生成無限互溶的γ相區(qū)為奧氏體形成元素,Ni在鋼中不能與碳結(jié)合形成碳化物;Cr、Mo與碳能形成碳化物,屬中等碳化物形成元素。18CrNiMo7-6鋼在滲碳緩冷過程中,會有Cr、Mo等元素的碳化物析出,使奧氏體中碳含量降低,在重新加熱淬火過程中,由于Cr、Mo等元素的碳化物溶解較慢,奧氏體中的C、Cr、Mo含量減少,使奧氏體的馬氏體轉(zhuǎn)變開始點(diǎn)升高,因而淬火冷卻后組織較細(xì)而殘留奧氏體較少。所以,滲碳直接淬火、低溫回火比滲碳緩冷、加熱淬火、低溫回火,表層高碳馬氏體稍粗大、殘留奧氏體量稍多。Ni鋼在加熱時晶粒不易長大,同時Mo也有細(xì)化晶粒作用,因此,滲碳直接淬火和滲碳緩冷再加熱淬火其晶粒大小基本一致,均為7~8級。由于淬透性較好,因此心部均為低碳馬氏體組織。



結(jié)論


通過對18CrNiMo7-6鋼深層滲碳直接淬火、低溫回火和滲碳緩冷再加熱淬火、低溫回火兩種工藝試驗研究,得出如下結(jié)論:


118CrNiMo7-6930℃滲碳,滲碳強(qiáng)滲碳勢控制1.1%1.2%,時間40h,擴(kuò)散碳勢0.65%0.75%,時間為15h,然后隨爐降溫至830℃,碳勢0.65%0.75%,保溫0.5h出爐,在60G油淬火,冷卻0.5h,并160×6h回火后,滲碳層組織C1級,M4級,A4級,硬化層深度HV15503.84mm,表面硬度6061HRC,心部組織1級,心部硬度40HRC;晶粒度78級;抗拉強(qiáng)度:1229MPa,屈服強(qiáng)度:1014MPa,伸長率9%,斷面收縮率49%,沖擊吸收能量49J


218CrNiMo7-6930℃滲碳,滲碳強(qiáng)滲碳勢控制1.1%1.2%,時間40h,擴(kuò)散碳勢0.65%0.75%,時間為15h,然后隨爐降溫至830℃,碳勢0.65%0.75%,保溫0.5h出爐緩冷至室溫,再加熱至830℃,碳勢0.65%0.75%,保溫6h,入60℃G油淬火,并160×6h回火后,滲碳層組織C1級,M3級,殘留A2級,硬化層深HV15503.90mm表面硬度6061HRC,心部組織1級,心部硬度40HRC;晶粒度78級;抗拉強(qiáng)度:1262MPa,屈服強(qiáng)度:1048MPa,伸長率9.5%,斷面收縮率51%,沖擊吸收能量45J

作者:郁俐、涂小龍

單位:杭州前進(jìn)齒輪箱集團(tuán)股份有限公司

來源:《金屬加工(熱加工)》雜志

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