深冷處理對17CrNiMo6鋼硬化層組織和力學(xué)性能的影響

冉貞德，湯 靜，李 軍，張顯銀

（重慶齒輪箱有限責(zé)任公司，重慶 402263）

齒輪傳動具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比穩(wěn)定和工作可靠、壽命長等特點是機(jī)械傳動中最重要的傳動之一[1]。重載齒輪一般為硬齒面的大模數(shù)齒輪，能承受大載荷、傳遞大扭矩和使用工況復(fù)雜等特點，常運用于礦山、建材、冶金、船舶、核電和風(fēng)電行業(yè)等重工領(lǐng)域的傳動設(shè)備中[2]。重載齒輪的材質(zhì)和熱處理工藝會直接影響到齒輪工作時的可靠性和使用壽命，目前選材常用低碳合金鋼20CrMnMo鋼、17CrNiMo6鋼等，熱處理方法為滲碳淬火和低溫回火，使得齒面具有較高的硬度和耐磨性，齒輪心部具有較高的強(qiáng)度和韌性[3，4]。

相對于熱處理工藝而言，金屬材料還有深冷處理工藝。隨著制造業(yè)的發(fā)展，大型工程機(jī)械、船舶機(jī)械和風(fēng)電等領(lǐng)域?qū)Ω咚?、重載齒輪性能提出了更高的要求，因此有必要對傳統(tǒng)熱處理工藝進(jìn)行改進(jìn)，以提高鋼的綜合力學(xué)性能來滿足重載齒輪的設(shè)計要求。

由于國內(nèi)專家、學(xué)者對重載齒輪用鋼進(jìn)行深冷處理的研究報告較少，因此本文將對重載齒輪17CrNiMo6滲碳鋼進(jìn)行深冷處理研究，旨在探討深冷處理工藝對鋼的力學(xué)性能和硬化層組織的影響，同時為后續(xù)研究提供試驗、數(shù)據(jù)參考。

1 試驗材料與方法

試驗采用17CrNiMo6圓鋼鍛件，尺寸Φ 30×200mm圓棒和Φ 30×30mm圓柱。

深冷處理：將試樣放入盛裝液氮的保溫箱中，待保溫箱內(nèi)溫度穩(wěn)定后，封閉保溫箱進(jìn)行保溫，同時開始深冷處理計時；分別有10h、24h和48h三種深冷保溫時間，待到達(dá)保溫時間后，從保溫箱中取出樣品，置于空氣中，樣品自然升溫至室溫。

回火處理：深冷處理后，將室溫狀態(tài)的樣品放入預(yù)先加熱至200℃ 的馬福爐中，關(guān)閉爐門，待爐內(nèi)溫度回復(fù)至200℃ 時(約30min)，開始回火保溫計時，樣品在爐內(nèi)保溫4h后取出，置于空氣中，使其自然降溫至室溫。

試驗采用的深冷處理工藝如表1所示。

表1 17CrNiMo6鋼深冷處理工藝

在RGM-6050型微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)上按照GB/T228-2007進(jìn)行拉伸試驗，拉伸速率為5mm/min；在SANS ZBG2302-B擺錘式?jīng)_擊試驗機(jī)上參照GB/T229-2007進(jìn)行沖擊試驗，初始勢能300J，擺錘半徑為1m；在滬工高峰HR-150A型手動洛氏硬度計上參考標(biāo)準(zhǔn)GB9450-88進(jìn)行硬化層硬度和芯部硬度，壓頭為120°金剛石錐，載荷150kg，保壓時間10s～15s，硬化層硬度測量滲碳層，芯部硬度測量未滲碳的芯部表面硬度降與芯部硬度測試面相同；在研潤光機(jī)的HMAS-D1000SZ顯微硬度儀上參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T23.1-2009進(jìn)行硬度降測試，載荷1kg，保壓時間10s，距樣品表面0.2mm處開始測量；采用ZEISS Axiovert 200MAT型光學(xué)金相顯微鏡觀察晶界氧化情況，測量晶界氧化層深度。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 硬化層組織分析

對17CrNiMo6鋼經(jīng)過不同深冷處理后的硬化層進(jìn)行組織觀察，得到如圖1所示的組織評級結(jié)果。從圖(a)中17CrNiMo6鋼未深冷處理與深冷處理進(jìn)行對比可知，隨著深冷時間的增加，晶界內(nèi)氧化和表面碳化物明顯增加，晶粒度稍微降低，碳化物和殘余奧氏體基本不變。從如圖(b)17CrNiMo6鋼未深冷、深冷、深冷+回火三種處理進(jìn)行對比可知，未深冷處理和深冷處理組織無明顯變化，但深冷+回火處理后殘余奧氏體、馬氏體保持同步降低；硬化層碳含量升高，并隨著深冷時間的延長而增大。

綜上所訴，深冷+回火處理對硬化層組織的表面碳含量影響最大，主要碳化物的析出。這是由于回火后的馬氏體發(fā)生部分分解，形成的微小碳化物顆粒在馬氏體基面析出，使得表面碳含量增大[4]。

圖1 硬化層組織級別

2.2 拉伸試驗分析

拉伸性能試驗結(jié)果如圖2所示。從圖中可知，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，斷后伸長率和端面收縮率隨著深冷時間的增加，變化趨勢基本一致。與未經(jīng)深冷處理的17CrNiMo6鋼相比，經(jīng)10小時深冷處理后鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別增大了6.6%和8%；經(jīng)24h、48h深冷處理后的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別降低了1.6%和4.1%；深冷10h和深冷24h后鋼的斷后伸長率和端面收縮率分別降低了4.8%和12.7%，當(dāng)深冷48h后，斷后伸長率和端面收縮率比深冷10h和深冷24h有了大幅增大，比未深冷處理增大了1.6%。綜上所訴，不同的深冷時間，17CrNiMo6鋼強(qiáng)度和塑性存在一定的變化，但抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，斷后伸長率和端面收縮率的變化趨勢基本一致。

圖2 17CrNiMo6鋼拉伸性能

進(jìn)一步對17CrNiMo6鋼經(jīng)過24h和48h深冷處理后進(jìn)行拉伸試驗，其拉伸斷口如圖3所示。從圖中可看出，17CrNiMo6鋼拉伸宏觀斷口形貌均為杯錐狀，斷口由纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇三部分組成。通過對比24h和48h深冷處理的斷口試樣發(fā)現(xiàn)，48h深冷處理的斷口纖維區(qū)和剪切唇所占比例較24h的大，且48h的斷口放射區(qū)線條更為粗大。17CrNiMo6鋼經(jīng)深冷處理后在拉伸過程中發(fā)生了塑性變形，斷口為韌性斷裂，且48h深冷處理后的17CrNiMo6鋼在靜載荷下塑性優(yōu)于24h。

圖3 17CrNiMo6鋼拉伸斷口

2.3 沖擊試驗分析

在常溫、-20℃和-40℃三種環(huán)境下對17CrNiMo6鋼試樣進(jìn)行沖擊試驗結(jié)果如圖4所示。從圖中可知，深冷處理可起到增大沖擊韌性的作用，在經(jīng)歷24h深冷處理的17CrNiMo6鋼沖擊韌性增強(qiáng)作用明顯，大于24h后增強(qiáng)作用減弱。沖擊韌性隨著沖擊溫度的降低而降低。隨著深冷處理時間延長，其沖擊韌性降低，當(dāng)深冷時間為24h時達(dá)到最大值。

圖4 17CrNiMo6沖擊性能

進(jìn)一步對17CrNiMo6鋼經(jīng)過24h和48h深冷處理后進(jìn)行沖擊性能試驗，其斷口如圖5所示。從圖中可看出，17CrNiMo6鋼沖擊斷口宏觀觀察，由纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇三部分組成，隨著沖擊試驗溫度降低，斷口纖維區(qū)所占比例逐漸減??；對比深冷24h和48h的斷口宏觀形貌，兩者區(qū)別較小?？傮w來看，17CrNiMo6鋼深冷處理后在高速載荷作用下，仍保持韌性斷裂特征。

圖5 深冷處理17CrNiMo6鋼不同溫度下沖擊的斷口(a：深冷處理24h；b：深冷處理48h)

圖6 17CrNiMo6硬度和硬化層厚度

2.4 硬度測試分析

對17CrNiMo6鋼硬化層硬度測試結(jié)果如圖6所示。從圖（a）可知，與未深冷處理相比，深冷處理增大了硬化層硬度和芯部硬度。隨著深冷時間的延長，硬化層硬度和芯部硬度呈緩慢地先增大，后減小的趨勢，24h的深冷處理達(dá)到最大值；經(jīng)過10小時的深冷處理，增大了硬化層厚度，但經(jīng)過24h和48h深冷處理硬化層厚度降低了30%，并隨著深冷時間的延長，硬化層厚度呈緩慢降低的趨勢。

從圖(b)可知，與經(jīng)未深冷處理相比，深冷處理增大了表層硬度和硬化層厚度，深冷+回火處理降低了表層硬度和硬化層厚度；深冷處理增大了芯部硬度，深冷+回火處理芯部硬度得到了進(jìn)一步增大。隨著深冷時間的增加，表層硬度逐漸增加，但回火后深冷處理帶來的硬度增加效果被消除；表層硬度和芯部硬度隨深冷時間的增大而減低。

3 結(jié)論

深冷+回火處理對17CrNiMo6鋼硬化層組織的表面碳含量影響最大，主要表現(xiàn)為回火后的馬氏體發(fā)生部分分解成碳化物，并析出硬化層表面，使得表面碳含量增大。經(jīng)過24h、48h深冷+回火處理，對17CrNiMo6鋼力學(xué)性能影響較小。隨著深冷時間的增加，表層硬度逐漸增加，表層硬度和芯部硬度隨深冷時間的增大而減低。滲碳淬火17CrNiMo6鋼經(jīng)過-196℃深冷24h，200℃回火4h后力學(xué)性能更好。