王子瑜

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)展，對(duì)材料性能提出了越來越高的要求，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組經(jīng)常用到的太陽(yáng)輪和中間軸等受力復(fù)雜的零件，對(duì)材料性能的要求更高。這類零件要求材料表面有高的硬度和耐磨性，且心部有足夠的塑性和韌性，而通過對(duì)材料進(jìn)行滲碳處理可以滿足此要求。18CrNiMo7-6鋼具有高強(qiáng)度、高韌性和高淬透性等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛作為滲碳鋼使用。

本文以18CrNiMo7-6鋼為試驗(yàn)鋼，經(jīng)滲碳及熱處理工藝處理后，18CrNiMo7-6鋼滲碳層分布梯度平緩，獲得了一定深度的有效硬化層，提高了材料表面的硬度、耐磨性和疲勞極限。通過不同滲碳處理工藝處理18CrNiMo7-6鋼，并進(jìn)行顯微組織分析和顯微硬度測(cè)試，研究不同滲碳處理工藝對(duì)18CrNiMo7-6鋼有效硬化層深度的影響，從而為合理制訂18CrNiMo7-6鋼滲碳處理熱工藝提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

18CrNiMo7-6鋼的化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

18CrNiMo7-6鋼采用井式氣體滲碳爐滲碳，滲碳?xì)怏w使用甲醇（750～800℃） 和丙烷（800℃以上）等直接滴入爐內(nèi)而得。其滲碳工藝路線如圖1所示，其中Ⅲ階段工藝有2種：A工藝，保溫52 h，碳勢(shì)為Cp0.70%C～1.15%C；B工藝，保溫87 h，碳勢(shì)為Cp0.65%C～1.10%C。18CrNi-Mo7-6鋼經(jīng)滲碳后移至緩冷坑緩冷，溫度降到300℃以下后進(jìn)入加熱爐，溫度升至860～880℃保溫一段時(shí)間，然后再降至830～850℃保溫一段時(shí)間進(jìn)行淬火。淬火后，工件內(nèi)存在淬火應(yīng)力，為消除殘余應(yīng)力，選擇低溫回火。低溫回火溫度為200～220℃，保溫12 h出爐空冷。

由熱處理手冊(cè)可知，滲碳時(shí)間與滲碳深度成平方根關(guān)系，時(shí)間越長(zhǎng)，滲碳深度越深；時(shí)間越短，生產(chǎn)效率越高，能耗越低。本試驗(yàn)?zāi)康氖谦@得較深的有效硬化層，并比較不同保溫時(shí)間對(duì)其深度及硬度的影響，故滲碳保溫時(shí)間選擇比常規(guī)工藝長(zhǎng)。

圖1 18CrNiMo7-6鋼的滲碳工藝示意圖

對(duì)熱處理后的試驗(yàn)鋼進(jìn)行取樣，將試樣磨平、拋光，用4%的硝酸酒精浸蝕。然后用Axiovert 40 MAT光學(xué)顯微鏡進(jìn)行試樣顯微組織的觀察和分析。

同時(shí)，利用TMV-1S顯微硬度計(jì)測(cè)試試驗(yàn)鋼滲碳層的硬度梯度，加載載荷為1 000 g，加載時(shí)間為15 s。利用THRP-150D洛氏硬度計(jì)測(cè)試試驗(yàn)鋼的表面和心部硬度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

圖2和圖3分別為18CrNiMo7-6試驗(yàn)鋼經(jīng)滲碳A工藝和B工藝后，再經(jīng)淬火回火后的顯微組織。通過對(duì)比圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)滲碳A工藝和B工藝得到的相同部位的顯微組織基本相似，滲碳試驗(yàn)鋼的表層組織為回火馬氏體+分散細(xì)小碳化合物+少量殘余奧氏體（如圖2a和圖3a），心部主要組織為回火馬氏體（如圖2b和圖3b）。圖3b中回火馬氏體較圖2b中回火馬氏體粗大，這是由于滲碳處理后A工藝和B工藝均未進(jìn)行細(xì)化晶粒處理，而滲碳B工藝保溫時(shí)間長(zhǎng)，組織處于高溫時(shí)間長(zhǎng)，晶粒易長(zhǎng)大，故心部組織較A工藝中晶粒粗大，采用相同的淬火回火工藝處理后，B工藝（如圖3b） 獲得的回火馬氏體組織晶粒粗大。此外，滲碳試驗(yàn)鋼的表層和心部組織中的回火馬氏體的形貌差別明顯，表層組織中的馬氏體為針狀，而心部組織中的馬氏體為板條狀。表層組織中針狀馬氏體為高碳馬氏體，由于滲碳，碳含量明顯增加達(dá)到中高碳鋼水平（碳含量約為0.65～0.9%）；心部組織中板條馬氏體為低碳馬氏體，心部受滲碳影響很小，碳含量增加不明顯，仍保持低碳鋼水平（碳含量約為0.15～0.20%）。

圖2 滲碳A工藝試驗(yàn)鋼的顯微組織

圖3 滲碳B工藝試驗(yàn)鋼的顯微組織

2.2 滲碳層的硬度

圖4為18CrNiMo7-6試驗(yàn)鋼經(jīng)滲碳等熱處理后由表面到心部的顯微硬度。由圖4可見，滲碳后試驗(yàn)鋼由表面到心部的顯微硬度呈逐漸下降的趨勢(shì)。這是由于滲碳時(shí)，離表面越遠(yuǎn)的碳原子擴(kuò)散越困難，因此從表面到心部碳含量逐漸下降，所以硬度也逐漸下降。此外，從圖4中還可以發(fā)現(xiàn)滲碳B工藝試驗(yàn)鋼的硬度要略高于滲碳A工藝試驗(yàn)鋼的硬度，這是由于滲碳B工藝第Ⅲ階段保溫時(shí)間為87 h明顯長(zhǎng)于滲碳A工藝第Ⅲ階段的保溫時(shí)間52 h。滲碳時(shí)間長(zhǎng)，相應(yīng)試驗(yàn)鋼相同位置的碳含量高，因此硬度也略高。但由于鋼的溶解度和碳的擴(kuò)散能力有限，滲碳層硬度差別并不明顯。

圖4 試驗(yàn)鋼的硬度梯度

18CrNiMo7-6試驗(yàn)鋼經(jīng)滲碳等熱處理后的有效硬化層深度按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9450-2005進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)測(cè)試，18CrNiMo7-6試驗(yàn)鋼的硬度和有效硬化層深度如表2所示，滲碳A工藝試驗(yàn)鋼的有效硬化層深度為2.8 mm，滲碳B工藝試驗(yàn)鋼的有效硬化層深度為3.3 mm。滲碳B工藝的有效硬化層深度大于滲碳A工藝，說明增加滲碳工藝第Ⅲ階段保溫時(shí)間有利于增加有效硬化層深度。此外，滲碳B工藝試驗(yàn)鋼表面和心部的硬度也高于滲碳A工藝試驗(yàn)鋼表面和心部的硬度。滲碳工藝第Ⅲ階段保溫時(shí)間由52 h增加到87 h，按照GB/T 9450-2005規(guī)定從表面至550 HV為硬化層深度，表2和圖4均清晰明確地給出2種工藝的有效硬化層深度，即有效硬化層深度僅增加0.5 mm。

表2 試驗(yàn)鋼的硬度和有效硬化層深度

3 結(jié)論

第一，增加滲碳熱處理工藝滲碳階段保溫時(shí)間有利于增加有效硬化層深度，但保溫時(shí)間增加35 h有效硬化層深度僅增加0.5 mm。因此，若需要滲碳后硬化層深度較大且硬度較高時(shí)，可選擇B工藝；若工藝要求能耗較低，可選擇A工藝。

第二，滲碳熱處理工藝滲碳階段的保溫時(shí)間為52～87 h，試驗(yàn)鋼的有效硬化層深度為2.8～3.3 mm。

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