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18CrNiMo7-6钢深层渗碳工艺对组织性能的影响

近十多年来,风力发电、高铁等的高速发展,欧标18CrNiMo7-6钢被广泛应用于制造风电变速箱齿轮、大模数齿轮、重载齿轮等。随着齿轮模数增大,渗碳工艺要求有效硬化层深在3mm,甚至4mm或5mm以上。对于18CrNiMo7-6渗碳钢硬化层深在3mm以上的渗碳工艺,国内一直有不同的观点,而欧美都采用渗碳直接淬火工艺。因此,对18CrNiMo7-6钢硬化层深在3mm以上,采用渗碳直接淬火和渗碳一次淬火两种不同工艺,进行金相组织、力学性能研究,为18CrNiMo7-6钢渗碳热处理提供工艺试验依据。



试验材料和试验方法



试验用18CrNiMo7-6钢采用电弧炉真空脱气冶炼,浇注成钢锭,经开坯、锻造拨长,以及正火、高温回火预先热处理,制成φ30mm×180mm圆棒试样,再进行渗碳。试样化学成分为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,其余为Fe


φ30mm×180mm圆棒试样与齿轮一起在Aichelinφ1600mm×2000mm井式可控气氛渗碳炉渗碳,渗碳温度920930℃,渗碳强渗期碳势控制在1.1%1.2%,强渗时间3845h,扩散期碳势为0.65%0.75%,扩散时间为1420h。然后随炉降温。降温至830850℃保温0.5h出炉。其中两件试样直接入60℃G油淬火,淬火时间30min;另两件试样入缓冷炉缓慢冷却至室温,再随零件进Aichelin多用炉加热,加热温度830850℃,碳势为0.65%0.75%,保温6h,入60℃G油淬火,淬火时间30min4件试样均在160180℃回火6h,出炉空冷。渗碳淬火、低温回火后按GB/T257442010《钢件渗碳淬火回火金相检验》和GB/T94502005《钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核》进行金相组织和有效硬化层深度检验。利用AXIOOBSERVER.AI金相显微镜观察组织,利用FM700半自动显微硬度计检验有效硬化层深度,利用CMT5303万能试验机进行拉伸试验,利用ZBC3302B冲击试验机进行冲击试验。



试验结果与讨论



1.18CrNiMo7-6钢渗碳直接淬火的组织性能

18CrNiMo7-6钢渗碳直接淬火、低温回火工艺曲线如图1所示。


图1 18CrNiMo7-6钢渗碳直接淬火、低温回火工艺曲线


试验结果:渗碳层组织如图2所示,C1级,M4级,残留A4级,硬化层深度HV15503.84mm,表面硬度6061HRC;心部组织如图3所示,为低碳马氏体;心部硬度40HRC;晶粒度如图4所示;力学性能如表1所示。


表1 18CrNiMo7-6渗碳直接淬火低温回火后力学性能

抗拉强度

Rm/MPa

屈服强度

Rp0.2/MPa

伸长率

A%

断面收缩率

Z%

冲击吸收能量

KV/J

1229

1014

9

49

49


图2 18CrNiMo7-6钢渗碳层组织


图3 18CrNiMo7-6钢心部组织


图4 18CrNiMo7-6钢晶粒度


2.18CrNiMo7-6钢渗碳一次淬火的组织性能

18CrNiMo7-6钢渗碳、加热淬火、低温回火工艺曲线如图5所示。


图5  18CrNiMo7-6钢渗碳、加热淬火、低温回火工艺曲线

试验结果:渗碳层组织如图6所示,C1级,M3级,残留A2级,硬化层深HV15503.90mm表面硬度6061HRC;心部组织如图7所示,为低碳马氏体;心部硬度40HRC;晶粒度如图8所示;力学性能如表2所示。

图6 18CrNiMo7-6钢渗碳层组织


图7 18CrNiMo7-6钢心部组织


图8 18CrNiMo7-6钢晶粒度   

表2 18CrNiMo7-6渗碳缓冷再加热淬火低温回火后力学性能

抗拉强度

Rm/MPa

屈服强度

Rp0.2/MPa

伸长率

A%

断面收缩率

Z%

冲击吸收能量

KV/J

1262

1048

9.5

51

45


3.讨论

(1)力学性能

18CrNiMo7-6钢渗碳直接淬火加低温回火和渗碳缓冷再加热淬火再低温回火,两种工艺热处理后其抗拉强度和屈服强度均很高,抗拉强度分别为1229MPa、1262MPa,屈服强度分别为1014MPa、1048MPa,塑性、韧性很好,伸长率分别为9%、9.5%,断面收缩率分别为49%、51%,冲击吸收能量分别为49J、45J。两种不同的渗碳淬火方式,强度、塑性、韧性指标很接近,这是因为18CrNiMo7-6钢合金元素Cr在合金钢中大部分溶于铁素体,使钢的等温曲线右移,提高钢的强度和淬透性,同时也提高钢的硬度和耐磨性;合金元素Ni在平衡条件下几乎完全溶于铁素体,使钢的等温曲线右移,且Ni钢在加热时晶粒不易长大。Ni的良好作用在于含量增高时,能在适当提高强度的同时,对塑性、韧性有良好的影响,尤其是低温冲击韧度值较高。钢中同时加入Cr、Ni,除了Cr的强化作用,还可以保持Ni的良好作用,从而得到高的综合力学性能。同时,由于Cr、Ni的相互作用,使钢的淬透性提高很多,远超单独元素的作用。少量Mo元素的加入有细化晶粒的作用,因此18CrNiMo7-6钢渗碳、淬火、低温回火后强度高,塑韧性好。


(2)组织

18CrNiMo7-6钢渗碳直接淬火加低温回火和渗碳缓冷再加热淬火再低温回火,两种工艺热处理后渗碳层金相组织分别为马氏体4级和3级,残留奥氏体分别为4级和2级,碳化物均为1级,心部为低碳马氏体,实际晶粒度均为7~8级。渗碳直接淬火+低温回火后,马氏体和残留奥氏体级别比渗碳、缓冷、加热淬火+低温回火高1级和2级,碳化物和心部组织均一样。因为,Ni与铁生成无限互溶的γ相区为奥氏体形成元素,Ni在钢中不能与碳结合形成碳化物;Cr、Mo与碳能形成碳化物,属中等碳化物形成元素。18CrNiMo7-6钢在渗碳缓冷过程中,会有Cr、Mo等元素的碳化物析出,使奥氏体中碳含量降低,在重新加热淬火过程中,由于Cr、Mo等元素的碳化物溶解较慢,奥氏体中的C、Cr、Mo含量减少,使奥氏体的马氏体转变开始点升高,因而淬火冷却后组织较细而残留奥氏体较少。所以,渗碳直接淬火、低温回火比渗碳缓冷、加热淬火、低温回火,表层高碳马氏体稍粗大、残留奥氏体量稍多。Ni钢在加热时晶粒不易长大,同时Mo也有细化晶粒作用,因此,渗碳直接淬火和渗碳缓冷再加热淬火其晶粒大小基本一致,均为7~8级。由于淬透性较好,因此心部均为低碳马氏体组织。



结论


通过对18CrNiMo7-6钢深层渗碳直接淬火、低温回火和渗碳缓冷再加热淬火、低温回火两种工艺试验研究,得出如下结论:


118CrNiMo7-6930℃渗碳,渗碳强渗碳势控制1.1%1.2%,时间40h,扩散碳势0.65%0.75%,时间为15h,然后随炉降温至830℃,碳势0.65%0.75%,保温0.5h出炉,在60G油淬火,冷却0.5h,并160×6h回火后,渗碳层组织C1级,M4级,A4级,硬化层深度HV15503.84mm,表面硬度6061HRC,心部组织1级,心部硬度40HRC;晶粒度78级;抗拉强度:1229MPa,屈服强度:1014MPa,伸长率9%,断面收缩率49%,冲击吸收能量49J


218CrNiMo7-6930℃渗碳,渗碳强渗碳势控制1.1%1.2%,时间40h,扩散碳势0.65%0.75%,时间为15h,然后随炉降温至830℃,碳势0.65%0.75%,保温0.5h出炉缓冷至室温,再加热至830℃,碳势0.65%0.75%,保温6h,入60℃G油淬火,并160×6h回火后,渗碳层组织C1级,M3级,残留A2级,硬化层深HV15503.90mm表面硬度6061HRC,心部组织1级,心部硬度40HRC;晶粒度78级;抗拉强度:1262MPa,屈服强度:1048MPa,伸长率9.5%,断面收缩率51%,冲击吸收能量45J

作者:郁俐、涂小龙

单位:杭州前进齿轮箱集团股份有限公司

来源:《金属加工(热加工)》杂志


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