熱處理工藝對(duì)18CrNiMo7-6滲碳鋼奧氏體晶粒度的影響

■顧曉明，劉俊偉，李康康，馬良，丁盛

熱處理工藝對(duì)18CrNiMo7-6滲碳鋼奧氏體晶粒度的影響

■顧曉明，劉俊偉，李康康，馬良，丁盛

在風(fēng)電等重載齒輪制造領(lǐng)域，低碳高合金滲碳鋼18CrNiMo7-6已成為當(dāng)前主流用鋼，該滲碳鋼在國(guó)外普遍采用滲碳后降溫直接淬火方法，而在國(guó)內(nèi)，由于鋼錠成分偏析等問(wèn)題，為防止出現(xiàn)混晶或粗晶缺陷，通常采用滲碳后重新加熱熱處理方法。對(duì)于重載滲碳齒輪而言，滲碳淬火后的心部晶粒度影響心部塑性及韌性，心部粗晶或混晶將大幅降低塑性及韌性，降低使用壽命。

齒輪滲碳鋼的晶粒度控制通過(guò)鍛件環(huán)節(jié)的奧氏體晶粒度試驗(yàn)來(lái)監(jiān)控，通過(guò)鍛件環(huán)節(jié)的晶粒度試驗(yàn)來(lái)預(yù)知最終滲碳淬火熱處理后的實(shí)際心部晶粒度，GB/ T6394-2002標(biāo)準(zhǔn)有數(shù)種奧氏體晶粒度試驗(yàn)方法，因此，采用何種試驗(yàn)方法方可真實(shí)反映重載齒輪滲碳后重新加熱淬火的實(shí)際奧氏體晶粒度顯得尤為重要。

1. 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)材料化學(xué)成分見(jiàn)表1，試驗(yàn)設(shè)備包括試驗(yàn)電爐、滲碳爐、顯微鏡等，電爐型號(hào)為SXL-1016，滲碳爐型號(hào)為VBEs-160/300，顯微鏡型號(hào)為奧林巴斯GX51。

2. 試驗(yàn)方法和結(jié)果分析

（1）熱處理工藝 試驗(yàn)材料取自風(fēng)電齒輪本體，鍛后熱處理采用正火加高溫回火，鍛后組織為粒狀B+F（見(jiàn)圖1）。參照GB/T6394-2002制定六種熱處理工藝方案，工藝方案匯總?cè)绫?所示。方案中的830℃溫度選擇基于18CrNiMo7-6材質(zhì)Ac3線為820℃，該材質(zhì)通常采用（830±10）℃奧氏體化淬火。

方案6為試樣隨同熔爐號(hào)的風(fēng)電齒輪產(chǎn)品進(jìn)行滲碳淬火回火熱處理，檢測(cè)其最終熱處理后的實(shí)際奧氏體晶粒度，將方案1～5的鍛件奧氏體晶粒度結(jié)果與方案6結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以確定何種鍛件奧氏體晶粒度試驗(yàn)方法可以真實(shí)反映產(chǎn)品最終實(shí)際奧氏體晶粒度。

圖1　鍛后粒狀B+F組織

圖2　方案4退火后平衡組織

表1　18CrNiMo7-6化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）?。?）

表2　奧氏體晶粒度試驗(yàn)方案

（2）奧氏體晶粒度顯示方法 方案1～4以及方案6淬火回火后獲得回火馬氏體組織，采用飽和苦味酸溶液+十二烷基苯磺酸鈉浸蝕劑，室溫浸蝕時(shí)間45min；方案5滲碳后爐冷，在滲碳層的過(guò)共析區(qū)的奧氏體晶界上析出滲碳體網(wǎng)，采用4%硝酸酒精腐蝕，將清晰顯示出奧氏體晶界。

（3）試驗(yàn)結(jié)果 六種熱處理方案浸蝕后的奧氏體晶粒度如圖3～9所示，晶粒度級(jí)別選取代表性典型視場(chǎng)，依據(jù)標(biāo)尺進(jìn)行晶粒度評(píng)定，結(jié)果匯總?cè)绫?所示。圖3、4、5、6、9為100倍視場(chǎng)下晶粒度；圖7、8為500倍視場(chǎng)下晶粒度，采用500倍視場(chǎng)源于晶粒較細(xì)，高倍下依據(jù)標(biāo)尺可清晰評(píng)定奧氏體晶粒度。

（4）試驗(yàn)結(jié)果分析 方案1表明試驗(yàn)所選用的鋼錠不適用于930℃直接淬火，滲碳淬火工藝必須選用滲碳后重新加熱淬火，否則直接淬火后將產(chǎn)生混晶問(wèn)題。方案2表明930℃降至830℃淬火未見(jiàn)奧氏體晶粒度發(fā)生明顯變化，表明降溫淬火未改變?cè)瓓W氏體晶粒度，僅改變冷卻后的組織形態(tài)，即冷卻不改變?cè)瓓W氏體晶粒度。

方案3采用830℃加熱后實(shí)現(xiàn)奧氏體晶粒細(xì)化，而采用930℃加熱保溫則產(chǎn)生混晶，表明加熱溫度是影響奧氏體晶粒度的最重要因子之一，同時(shí)也驗(yàn)證滲碳后重新加熱830℃奧氏體化淬火實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化的可行性。

圖3　930℃直接淬火奧氏體晶粒度

圖4　930℃降溫淬火奧氏體晶粒度

圖5　830℃淬火奧氏體晶粒度

圖6　退火后930℃直接淬火奧氏體晶粒度

圖7　滲碳法過(guò)共析層滲碳體網(wǎng)

圖8　隨本體滲碳淬火回火表層實(shí)際晶粒度

方案4將正回火后組織為粒狀B+F試樣進(jìn)行退火處理，獲得細(xì)小均勻的平衡態(tài)組織P+F，以試驗(yàn)加熱前鍛件組織對(duì)奧氏體晶粒度的影響，試驗(yàn)加熱至930℃保溫后淬火再次混晶，混晶程度與方案1混晶程度相當(dāng)，試驗(yàn)結(jié)果表明鍛件原始組織未改變本質(zhì)混晶狀態(tài)，未見(jiàn)鍛件原始組織對(duì)奧氏體晶粒度產(chǎn)生明顯影響。

方案5采用滲碳法試驗(yàn)，與方案1與2相比，奧氏體晶粒度明顯細(xì)化，細(xì)化原因是在930℃高碳勢(shì)下，合金滲碳體以及碳化物析出于奧氏體晶界，在滲碳初期，試樣表層的奧氏體晶粒度來(lái)不及長(zhǎng)大時(shí)，奧氏體晶界處的滲碳體將阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大，起到釘扎晶界作用，使奧氏體晶粒長(zhǎng)大受阻。

方案6試驗(yàn)結(jié)果表明930℃直接淬火混晶的試樣，若采用重新加熱熱處理方法，滲碳后的混合晶粒組織在重新加熱時(shí)，將重新奧氏體化再結(jié)晶，在830℃奧氏體化后，晶粒明顯細(xì)化，將消除混晶問(wèn)題。

將方案1～5與方案6對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)830℃淬火法以及滲碳法奧氏體晶粒度結(jié)果與最終實(shí)際奧氏體晶粒度基本吻合，但830℃淬火法加熱溫度相對(duì)較低，其晶粒明顯細(xì)于產(chǎn)品實(shí)際心部晶粒度，滲碳法比830℃淬火法更能相對(duì)真實(shí)反映產(chǎn)品熱處理后心部實(shí)際晶粒度。

對(duì)于18CrNiMo7-6高合金滲碳鋼，若采用滲碳后降溫直接淬火法，必須進(jìn)行方案1所示的滲碳溫度加熱直接淬火法試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)直接淬火后無(wú)混晶且細(xì)晶粒，試驗(yàn)材質(zhì)方可具備滲碳后降溫直接淬火的可能，否則必須施行滲碳后重新加熱方案。對(duì)于選取滲碳后重新加熱方案的18CrNiMo7-6齒輪滲碳件，鍛件奧氏體晶粒度試驗(yàn)方案采用滲碳法可以相對(duì)真實(shí)反映最終滲碳淬火回火熱處理后的實(shí)際產(chǎn)品心部晶粒度。上述試驗(yàn)結(jié)果也是對(duì)BS EN10084：2008附錄A.4細(xì)晶粒鋼章節(jié)“Unless otherwise agreed at the time of enquiry and order，the grain size shall be determined from a carburised specimen除非詢價(jià)和訂貨時(shí)另作規(guī)定，否則應(yīng)使用滲碳試件測(cè)定晶粒度”的驗(yàn)證。

3. 結(jié)語(yǔ)

（1）采用滲碳后重新加熱方案的18CrNiMo7-6齒輪件，鍛件奧氏體晶粒度熱處理方案采用滲碳法可以相對(duì)真實(shí)反映產(chǎn)品最終滲碳淬火回火后的實(shí)際心部晶粒度。

圖9　隨本體滲碳淬火回火心部實(shí)際晶粒度

（2）930℃降溫淬火未改變奧氏體晶粒度；奧氏體化溫度是影響晶粒度的重要因子之一，奧氏體化溫度提高至930℃將顯著影響微區(qū)的奧氏體晶粒大小。

（3）鍛件組織為粒狀B（貝氏體）或P+F（珠光體加鐵素體），兩者930℃直接淬火后奧氏體晶粒度未見(jiàn)明顯差別。

（4）奧氏體晶界處的滲碳體將阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大，起到釘扎晶界作用，使奧氏體晶粒長(zhǎng)大受阻。

（5）930℃直接淬火混晶的材質(zhì)，必須采用滲碳后重新加熱方案，否則將產(chǎn)生混晶缺陷。

（6）滲碳溫度直接淬火后無(wú)混晶且細(xì)晶粒，試驗(yàn)材質(zhì)方可具備滲碳后降溫直接淬火的可能。

顧曉明、李康康、馬良、丁盛，常州天山重工機(jī)械有限公司；劉俊偉，上海森松化工成套裝備有限公司。