18CrNiMo7-6钢深层渗碳工艺对组织性能的影响
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
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%，H≤2×10-6，O≤20×10-6，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920～930℃，渗碳强渗期碳势控制在1.1%～1.2%，强渗时间38～45h，扩散期碳势为0.65%～0.75%，扩散时间为14～20h。然后随炉降温。降温至830～850℃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830～850℃，碳势为0.65%～0.75%，保温6h，入60℃Ｇ油淬火，淬火时间30min。4件试样均在160～180℃回火6h，出炉空冷。渗碳淬火、低温回火后按GB/T25744—2010《钢件渗碳淬火回火金相检验》和GB/T9450—2005《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FM—700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HV1550：3.84mm，表面硬度60～61HRC；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
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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 |
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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HV1550：3.90mm表面硬度60～61HRC；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
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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 |
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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：
（1）18CrNiMo7-6钢930℃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60℃G油淬火，冷却0.5h，并160℃×6h回火后，渗碳层组织C1级，M4级，A残4级，硬化层深度HV1550：3.84mm，表面硬度60～61HRC，心部组织1级，心部硬度40HRC；晶粒度7～8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。
（2）18CrNiMo7-6钢930℃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HV1550：3.90mm表面硬度60～61HRC，心部组织1级，心部硬度40HRC；晶粒度7～8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。
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