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1、18Cr2Ni4WA渗碳钢的热处理工艺研究/:/=/:工艺一18Cr2Ni4WA渗碳钢的热处理工艺研究黄海清(上海七一一研究所,上海200051)摘要:介绍了18Cr2Ni4WA钢渗碳时的碳势控制,渗碳后的高温回火和淬火工艺.该钢渗碳后于670回火两次是消除渗碳层中残余奥氏体的最有效方法.渗碳采用不同温度淬火可满足18Cr2Ni4WA钢零件不同的心部硬度要求.关键词:18Cr2Ni4WA钢;渗碳;残余奥氏体;淬火;回火中图分类号:TG156文献标识码:B文章编号:10081690(2007)040049004HeatTreatmentProcessforCarburizingSteel18Cr
2、2Ni4WAHUANGHaiqing(Shanghai711Institute,Shanghai200051)Abstract:Withrespectto18Cr2Ni4WAsteel,carbonpotentialcontrolduringcarburizingaswellashighternperingandquenchingprocessesaftercarburizinghavebeenintroduced.Twoseparatetemperingtreatmentsat670isthemosteffectivewaytoeliminateresidualausteniteinthec
3、arburizedlayerofstee1.Thequenchingfromdifferenttemperaturesaftercarburizingcanmeettherequirementsfordifferentcorehardnessesofthe18Cr2Ni4WAsteelparts.KeyWords:18Cr2Ni4WAsteel;carburizing;residualaustenite;quenching;tempering18Cr2Ni4WA钢合金元素总含量大于5%,属高合金渗碳钢.该钢种淬透性高,具有优良的综合力学性能,特别是Ni的含量较高,使钢具有良好的强韧性和淬透性,
4、特别适用于制造截面大,性能要求高的渗碳结构件和重载齿轮等J.但该钢渗碳冷却后,渗层组织中存在大量残余奥氏体,影响了钢的淬硬性.同时,由于该钢的合金元素含量高,使C曲线大大右移,在一般正火或退火时得不到平衡组织,空淬也能得到马氏体和贝氏体,因而硬度高.由于渗碳后表面残余奥氏体量较多,要采用较复杂的热处理工艺才能满足零件的各种技术要求.要使18Cr2Ni4WA钢工件表面硬度高而心部硬度低是较困难的.1合金元素的影响和热处理工艺1.1合金元素的影响18Cr2Ni4WA钢的合金元素均能推迟奥氏体转变,尤其是元素w,强烈地推迟珠光体转变,所以该钢过冷奥氏体在珠光体区问的稳定性很高,即使空冷也发生贝氏体转
5、变.表层渗碳后,由于碳和合金元素的综合作用,使贝氏体转变曲线大大右移,贝氏体转变C曲线鼻尖的孕育期由渗碳前的十几秒推迟到二十几分钟,可以空淬成马氏体或贝氏体.渗碳后18Cr2Ni4WA钢渗层的Ms点温度也由渗碳前的高于300下降到8090左右.经渗碳空冷后表层组织为马氏体及大量残余奥氏体,从而影响淬火后的硬度J.要消除大量残余奥氏体,不能像一般低合金渗碳钢那样采用二次淬火法,相反,经二次淬火反而使残余奥氏体增多导致硬度下降.对这类高合金渗碳钢有其独特的处理方法,即渗碳后于670高温回火.回火时,在一定的温度下,从残余奥氏体中析出碳化物的过程是一个原子的扩散过程.温度越高越有利于扩散,析出碳化物
6、增多,使残余奥氏体的过饱和度减小,有利于残余奥氏体转变.但回火温度也不能太高,因为高碳表面层的A温度约为700,过高的回火温度容易引起相变,反而使奥氏体中溶收稿日期:20060702作者简介:黄海清(1966.5一),男,江西丰城市人,从事热处理检验和工艺技术工作,联系电话:02162741110X3054热处理2007年第22卷第4期49入更多的碳和合金元素,提高了奥氏体的稳定性,增加残余奥氏体量.利用回火来消除残余奥氏体是行之有效的方法,而回火的温度和次数是关键.1.2渗碳1.2.1渗碳设备渗碳采用传统的RQ一60-9型井式气体渗碳炉,控制系统选用北京汇捷通新技术有限公司的HT一300控制
7、仪,可模拟渗碳过程自动控制.根据工件的技术条件设定相应的技术参数.1.2.2渗碳介质渗碳剂采用煤油加甲醇,成本较低,且对储存条件要求不高,不象丙酮易挥发.缺点是容易形成炭黑,但采用氧探头自动控制,可以有效地控制碳势,防止炭黑的形成.1.2.3渗碳工艺参数的优化表层含碳量的高低,碳化物的形态及分布将直接影响工件的质量及使用寿命.当渗碳剂活性太大,渗碳时间过长和冷却速度过慢时,渗碳层易形成网状或大块状碳化物,导致周围局部合金元素贫化和淬透性下降,淬火后易形成非马氏体组织,从而降低了渗碳层中有利的残余压应力,可使渗碳工件的疲劳强度降低25%30%l2,而且大块状碳化物导致工件在使用过程中容易剥落或开
8、裂(见图2).如果含碳量过低,则表面硬度下降,耐磨性降低,缩短了工件的使用寿命.渗碳时控制工件表面的含碳量,碳化物的形态及分布是至关重要的,因为它们在以后的淬火工艺中是难以改变的.为了获得最佳的渗碳效果,采用不同的工艺参数进行了多次试验,结果见表1表1渗碳工艺参数及其效果Table1Carburizingprocessparametersandobtainedresults从表1中可选出最佳的渗碳工艺参数为:强渗期碳势控制在1.05%C,扩散期碳势控制在0.75%C.试样经检测碳化物呈细小颗粒状弥散分布,按JB/T一6141.3-92重载齿轮渗碳金相检验标准,碳化物为2级(见图1),这种渗碳组
9、织较为理想.若强渗期碳势控制在1.4%C,扩散期碳势控制在图1碳化物呈细小颗粒状弥散分布X400Fig.1Finegrainedcarbidesincarburizedcase400?50?0.90%C,渗碳层碳浓度过高,试样经检测碳化物呈大块状或网状分布(图2);当强渗期碳势控制在0.90%C,扩散期碳势控制在0.60%C,渗碳后空冷,试样经检测无碳化物,表面硬度偏低,耐磨性下降.工件渗碳层表面的含碳量过高或过低都是不可取的.图2碳化物呈大块状和网状分布x400Fig.2Massiveandnetworkcarbidesincarburizedcase400热处理2007年第22卷第4期1.
10、3高温回火由于该钢合金元素含量高,其C曲线右移,渗碳后空冷,渗层中也有较多的残余奥氏体,对淬硬性有较大影响.残余奥氏体在一定温度下回火后,在冷却过程中将发生残余奥氏体向马氏体的转变.在第一次回火时,组织中的马氏体将转变为回火索氏体,冷却时残余奥氏体转变成马氏体,一次回火时间再长残余奥氏体也不可能全部转变为马氏体.第二次回火时再使第一次由残余奥氏体转变成的马氏体转变为回火索氏体.采用二次以上的高温回火才能使残余奥氏体转变为马氏体,并得到具有最佳综合力学性能的回火索氏体组织.回火温度和回火次数将决定组织转变是否完全,并影响工件淬火后的硬度.不同的回火温度及回火次数对淬火后硬度的影响见表2.经过多次
11、试验比较后确定,6702h2次的回火工艺,既能满足零件的性能要求,生产成本也较低.不同温度淬火并回火二次的表面硬度值均高于表2回火温度及次数对淬火硬度的影响Table2Effectoftemperingprocessonas-quenchedhardness回火一次(包括650)的硬度值,说明只有经二次回火处理才能在随后淬火后获得高的表面硬度;采用较低温度淬火可获得低的心部硬度.根据不同零件的技术要求可采用不同的热处理工艺参数1.4淬火众所周知,淬火温度的高低将决定马氏体的粗细和残余奥氏体量的多少,而不同级别的马氏体和残余奥氏体对动强度,使用寿命有很大影响.特别是一些高合金钢,当淬火温度较高时
12、,随着残余奥氏体量的增加,材料的塑变抗力及表层有效残余压应力下降,而大量残余奥氏体又往往伴随着粗大马氏体的产生,马氏体的粗化增加了组织的显微裂纹,导致材料耐磨性能,弯曲疲劳强度,多冲性能和使用性能大大下降J.淬火温度太低时,组织转变不完全,性能差,难以满足心部的性能要求.所以选择适当的淬火温度对提高零件的使用寿命具有重要意义.根据18Cr2Ni4WA钢的C曲线及生产实践,选择了5种淬火加热温度进行试验比较,结果见表3.表318C陀Ni4WA钢不同温度淬火的渗碳层组织Table3Microstructuresincarbudzedcaseof18C眨NWAsteelquenchedfr0mdif
13、ferenttemperatures注:表中组织级别按JB/T-6141.3-92(重齿轮渗碳金相检验标准评定.于860加热淬火后表层为大量残余奥氏体及织硬度较低,同时粗大的马氏体针易产生微裂纹,对隐晶马氏体,次表层为粗针状马氏体(图3),这种组零件的工艺性能有不利影响.800820加热淬热处理2007年第22卷第4期?51?火后表层获得隐晶马氏体或细小针状马氏体加少量残余奥氏体(见图4),这种组织硬度较高,耐磨性好,心部组织为强韧性良好的低碳板条状马氏体(见图5).马氏体的粗细及均匀度对使用性能影响很大,马氏体愈细小,力学性能特别是韧性愈好;马氏体愈粗大,性能愈差.同时淬火温度的选择还应兼顾
14、心部和表层两方面的性能及组织要求.如淬火温度过低(<780oC),奥氏体化不充分,使表层产生图3渗层中的粗针状马氏体加大量残余奥氏体x400Fig.3CoarseacicularmartensiteandalargeamoantofretainedausteniteincarhurizedcaseX400非马氏体组织而心部组织转变不完全,对性能产生不良影响l4J.另外,淬火温度的选择还必须兼顾后面的机加工工艺.如果工件淬火后要进行车削或磨削加工,则淬火温度采用800820oC,使表面和心部的硬度有最好的匹配,即既有高的表面硬度又有高的心部硬度.当工件淬火后要滚内花键或插键槽加工,则淬火温
15、度采用780C,适用于心部硬度要求低的零件.图4渗层中的隐晶马氏体加少量残余奥氏体X400Fig.4CryptocrystallinemartensiteandasmallamountofretainedausteniteincarburizedcaseX4O01.2.4低温回火淬火后一般在150250oC进行回火,可获得以回火马氏体为主的组织.渗碳层在使用状态下应为回火马氏体+均匀分布小颗粒状碳化物+少量残余奥氏体,具有高的强度,硬度,耐磨性及一定的韧性.因为低于200oC回火时,马氏体中过饱和碳原子以e碳化物形式析出,极为细小,弥散度极高,所以硬度并不降低.同时,由于以e碳化物形式析出,晶
16、格畸变降低,使淬火应力减小.随着回火温度的升高,马氏体进一步分解,硬度随之降低71.所以渗碳件低温回火以160180oC为宜,高于250oC表面硬度将明显下降.2结论(1)18Cr2Ni4WA钢渗碳后表面有较多的残余奥氏体,用多次(二次以上)高温回火(每次670oCX2h)方法可以有效地降低残余奥氏体量.(2)渗碳时强渗期碳势控制在1.05%C,扩散期图5心部低碳板条状马氏体x400Fig.5LathmartensiteincoreofpartX400碳势控制在0.75%C,能得到较理想的渗碳层组织.(3)淬火温度可根据零件的技术条件要求和后道机加工工序选定,一般采用800820oC.对心部硬
17、度低要求的,则采用780oC淬火.参考文献1王豫.减少18Cr2Ni4WA钢残余奥氏体量的热处理工艺J.华东冶金学院,1997,(2):104-107.2王广生,石康才,等.金属热处理缺陷分析及案例M.北京:机械工业出版社,2002:187.3胡明娟,潘健生.钢铁化学热处理原理M.上海:上海交通大学出版社,1996:5-18.4上海机械工艺研究所编.金相分析技术M.上海-E海科学技术文献出版社,1987:484501.5樊东黎.热处理技术数据手册M.北京:机械工业出版社,2001:257-282.6李钟晓,张建华.金相组织对齿轮性能的影响J.拖拉机,1983,(2):31.7王运炎.金属材料与热处理M.北京:机械工业出版社,1987:117120dHHHHHHHHHHHHHHHH-子HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH喑山d山山山:,:/:/:/:舍S舍:舍!舍!山车动态与信息丰山山王二手热处理设备转售王王1.36kW井式回火炉1台;2.75kW台车炉1台;3.低温烘箱1台.价格面议.王肆q.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.H.-52热处理2007年第22卷第4期
