无碳化物贝氏体钎钢材料伪渗碳组织和力学性能的研究

2010-09-15程巨强刘志学

凿岩机械气动工具 2010年3期

关键词：渗层板条渗碳

程巨强，刘志学，张琢

（西安工业大学材料与化工学院，陕西西安 710032）

无碳化物贝氏体钎钢材料伪渗碳组织和力学性能的研究

程巨强，刘志学，张琢

（西安工业大学材料与化工学院，陕西西安 710032）

研究了两种伪渗碳热处理工艺无碳化物贝氏体钎钢的组织和力学性能及工业渗碳试验非渗层的组织。结果表明，常规正火热处理和不同的伪渗碳处理后贝氏体钎钢具有良好的强韧性配合，伪渗碳工艺试验材料的组织和渗碳工艺中非渗层组织没有出现组织过分长大及其粗化的情况。920℃×10h降温880℃空冷+680℃空冷+加热880℃空冷+200℃回火伪渗碳处理和渗碳热处理试验材料可以获得良好的强韧性。

无碳化物贝氏体钎钢；伪渗碳；组织；力学性能

对于表面要求较高的耐磨性和较高疲劳强度的零件，如对于承受疲劳或冲击的齿轮、轴及重型钎杆等，生产中可采用渗碳处理来增加表面的耐磨性和提高疲劳强度[1～3]。渗碳处理时为了使零件表面获得一定含碳量和渗层深度，渗碳处理一般在较高温度和一定的碳势气氛中保持较长时间，完成渗碳。渗碳时渗碳钢在高温下长时间保温会造成渗碳钢组织的粗大，影响材料的使用性能，因此研究渗碳过程非渗层组织和力学性能具有重要的实际意义。目前关于渗碳钢伪渗碳方面的文献研究较少，本文研究一种经济型的高强度无碳化物贝氏体钢伪渗碳的组织和力学性能，并结合实际渗碳生产，分析渗碳过程非渗碳层组织的变化，为这种新型渗碳钢的实际应用奠定试验依据。

1 试验材料和方法

试验所用材料为一种无碳化物贝氏体钎杆钢。试样材料为国内某厂提供的φ65 mm棒料，试验材料的冲击韧度试验试样加工成10×10×55mm标准V型缺口冲击试样，拉伸试样线切割加工成φ14×80 mm圆棒，然后机械加工成φ6mm标准短拉伸试样。试验材料力学性能的热处理试验和伪渗碳热处理试验采用箱式电阻加热。试验材料的常规正火热处理工艺为：920℃×10 min正火+200℃回火；伪渗碳及其热处理工艺一为：加热温度为920℃×10h，降温 880℃正火+200℃回火；伪渗碳及其热处理工艺二为：920℃×1h，降温880℃正火+680℃×3h高温回火+800℃×1h正火+200℃回火。伪渗碳工艺中加热保温和降温过程没有碳势，进行保护加热。实际生产贝氏体钢渗碳零件的渗碳工艺也分为两种工艺，如上述的渗碳工艺一和渗碳工艺二，渗碳工艺和伪渗碳试验工艺温度及时间参数完全一致，不同的是，渗碳工艺中渗碳阶段保温过程碳势为0.95%，降温阶段保持碳势0.85%。

2 试验结果与分析

2.1 不同伪渗碳工艺的力学性能

表1是不同的热处理工艺无碳化物贝氏体钎钢的力学性能。从表1可以看出，常规热处理无碳化物贝氏体钎钢的强度和硬度与伪渗碳热处理的硬度和强度指标差别不大，因此，伪渗碳热处理试验材料保持较高的强度和硬度，硬度指标满足一般渗碳钢心部硬度HRC35～45的要求[4]。试验数据看出，通过伪渗碳热处理可以提高材料的塑性指标，特别是断面收缩率提高幅度较大，伪渗碳热处理冲击韧度指标和常规热处理相比，冲击韧度值还有所提高，由于材料的冲击韧度指标对组织的细化程度比较敏感，因此从材料的力学性能指标来看，长时间加热的伪渗碳热处理试验材料的组织并无过分粗化，试验材料保持较高的冲击韧度数值，工艺二和工艺一相比，在强度指标基本相同的情况下，工艺二情况下试验材料更具有良好的塑性和韧性指标，这是由于长时间加热，试验材料的成分和组织更加均匀，空冷后获得更高的塑韧性。

表1 不同的热处理工艺试验材料的力学性能

2.2 无碳化物不同热处理工艺的组织

图1是920℃正火+200℃回火热处理试验材料的X射线衍射图谱。从图1中可以看出，920℃正火+200℃回火热处理试验材料的X射线衍射主要有铁素体峰和奥氏体峰，无碳化物峰，说明试验材料920℃正火+200℃回火热处理的物相组织只有铁素体和残余奥氏体，因此，正火低温回火试验材料的组织由贝氏体铁素体和残余奥氏体组成，为一种新型无碳化物贝氏体组织或非典型贝氏体组织[5]。

图1 920℃正火+200℃回火试验材料的X射线图谱

图2 不同热处理试验材料的组织

图2是试验材料不同伪渗碳工艺热处理的金相组织照片。由X射线衍射物相分析可知，不同伪渗碳热处理后空冷的组织和正火低温回火组织一致，即为贝氏体和残余奥氏体组织。由图2的金相组织图可以看出，三种热处理工艺下试验材料的组织为板条状，920℃空冷+200℃回火组织的板条较细（图 2a），工艺一（图 2b）的板条组织和图 2a相比，贝氏体铁素体束有所粗化，板条长度变化不大。工艺二（图2c）的伪渗碳金相组织和前两者组织相比，组织板条明显细化，因此伪渗碳工艺二可以细化试验材料的组织。

2.3 不同渗碳工艺非渗层的金相组织

图3是试验材料按渗碳工艺一和工艺二进行的重型钎杆实体渗碳热处理后的非渗碳层（心部）的金相组织。重型钎杆不同的渗碳及其热处理后空冷，非渗层的组织为贝氏体铁素体和残余奥氏体，组织也呈板条状。图3（a）为重型钎杆渗碳工艺金相试样取样示意图，试样取心部非渗层，由图可见，内外渗层清晰可见。图3（b）重型钎杆按渗碳工艺一实体取样的非渗层的金相组织，组织的板条较细，但板条束较长。图3（c）是重型钎杆按渗碳工艺二实体取样的非渗层组织，和图3（b）工艺一进行比较，渗碳处理的工艺二，组织也呈板条状，板条长度有所减少，板条有所细化，但板条束有所粗化。两种工艺非渗层组织均为铁素体和残余奥氏体，可以看出，经过渗碳工艺二可以细化非渗层晶粒和组织，可以提高材料塑韧性。假渗碳工艺一后试样的晶粒度等级为7～8级，假渗碳工艺二晶粒度等级为8～9级，通过假渗碳试验，贝氏体钢晶粒大倾向较小。