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近十多年來(lái)，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(duì)于18CrNiMo7-6滲碳鋼硬化層深在3mm以上的滲碳工藝，國(guó)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(duì)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(yàn)依據(jù)。

試驗(yàn)用18CrNiMo7-6鋼采用電弧爐真空脫氣冶煉，澆注成鋼錠，經(jīng)開(kāi)坯、鍛造撥長(zhǎng)，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w_C=0.18%，w_Si=0.28%，w_Mn=0.70%，w_Cr=1.6%，w_Mo=0.29%，w_Ni=1.48%，w_P=0.013%，w_S=0.011%，H≤2×10^-6，O≤20×10^-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920～930℃，滲碳強(qiáng)滲期碳勢(shì)控制在1.1%～1.2%，強(qiáng)滲時(shí)間38～45h，擴(kuò)散期碳勢(shì)為0.65%～0.75%，擴(kuò)散時(shí)間為14～20h。然后隨爐降溫。降溫至830～850℃保溫0.5h出爐。其中兩件試樣直接入60℃Ｇ油淬火，淬火時(shí)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830～850℃，碳勢(shì)為0.65%～0.75%，保溫6h，入60℃Ｇ油淬火，淬火時(shí)間30min。4件試樣均在160～180℃回火6h，出爐空冷。滲碳淬火、低溫回火后按GB/T25744—2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗(yàn)》和GB/T9450—2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測(cè)定和校核》進(jìn)行金相組織和有效硬化層深度檢驗(yàn)。利用AXIOOBSERVER.AI金相顯微鏡觀察組織，利用FM—700半自動(dòng)顯微硬度計(jì)檢驗(yàn)有效硬化層深度，利用CMT5303萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，利用ZBC3302B沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

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(yàn)結(jié)果：滲碳層組織如圖2所示，C1級(jí)，M4級(jí)，殘留A4級(jí)，硬化層深度HV1₅₅₀：3.84mm，表面硬度60～61HRC；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

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(yàn)結(jié)果：滲碳層組織如圖6所示，C1級(jí)，M3級(jí)，殘留A2級(jí)，硬化層深HV1₅₅₀：3.90mm表面硬度60～61HRC；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

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(zhǎng)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?yàn)?8CrNiMo7-6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(shí)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(shí)晶粒不易長(zhǎng)大。Ni的良好作用在于含量增高時(shí)，能在適當(dāng)提高強(qiáng)度的同時(shí)，對(duì)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(shí)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(shí)，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(jí)和3級(jí)，殘留奧氏體分別為4級(jí)和2級(jí)，碳化物均為1級(jí)，心部為低碳馬氏體，實(shí)際晶粒度均為7～8級(jí)。滲碳直接淬火＋低溫回火后，馬氏體和殘留奧氏體級(jí)別比滲碳、緩冷、加熱淬火＋低溫回火高1級(jí)和2級(jí)，碳化物和心部組織均一樣。因?yàn)椋琋i與鐵生成無(wú)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(guò)程中，會(huì)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(guò)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(kāi)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(shí)晶粒不易長(zhǎng)大，同時(shí)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(jí)。由于淬透性較好，因此心部均為低碳馬氏體組織。

通過(guò)對(duì)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(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

（1）18CrNiMo7-6鋼930℃滲碳，滲碳強(qiáng)滲碳勢(shì)控制1.1%～1.2%，時(shí)間40h，擴(kuò)散碳勢(shì)0.65%～0.75%，時(shí)間為15h，然后隨爐降溫至830℃，碳勢(shì)0.65%～0.75%，保溫0.5h出爐，在60℃G油淬火，冷卻0.5h，并160℃×6h回火后，滲碳層組織C1級(jí)，M4級(jí)，A殘4級(jí)，硬化層深度HV1₅₅₀：3.84mm，表面硬度60～61HRC，心部組織1級(jí)，心部硬度40HRC；晶粒度7～8級(jí)；抗拉強(qiáng)度：1229MPa，屈服強(qiáng)度：1014MPa，伸長(zhǎng)率9%，斷面收縮率49%，沖擊吸收能量49J。

（2）18CrNiMo7-6鋼930℃滲碳，滲碳強(qiáng)滲碳勢(shì)控制1.1%～1.2%，時(shí)間40h，擴(kuò)散碳勢(shì)0.65%～0.75%，時(shí)間為15h，然后隨爐降溫至830℃，碳勢(shì)0.65%～0.75%，保溫0.5h出爐緩冷至室溫，再加熱至830℃，碳勢(shì)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(jí)，M3級(jí)，殘留A2級(jí)，硬化層深HV1₅₅₀：3.90mm表面硬度60～61HRC，心部組織1級(jí)，心部硬度40HRC；晶粒度7～8級(jí)；抗拉強(qiáng)度：1262MPa，屈服強(qiáng)度：1048MPa，伸長(zhǎng)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(lái)源：《金屬加工（熱加工）》雜志

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