18CrNiMo7-6钢渗碳工艺的研究

王子瑜

（渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105）

随着风力发电机组的发展，对材料性能提出了越来越高的要求，而风力发电机组经常用到的太阳轮和中间轴等受力复杂的零件，对材料性能的要求更高。这类零件要求材料表面有高的硬度和耐磨性，且心部有足够的塑性和韧性，而通过对材料进行渗碳处理可以满足此要求。18CrNiMo7-6钢具有高强度、高韧性和高淬透性等优点，因此广泛作为渗碳钢使用。

本文以18CrNiMo7-6钢为试验钢，经渗碳及热处理工艺处理后，18CrNiMo7-6钢渗碳层分布梯度平缓，获得了一定深度的有效硬化层，提高了材料表面的硬度、耐磨性和疲劳极限。通过不同渗碳处理工艺处理18CrNiMo7-6钢，并进行显微组织分析和显微硬度测试，研究不同渗碳处理工艺对18CrNiMo7-6钢有效硬化层深度的影响，从而为合理制订18CrNiMo7-6钢渗碳处理热工艺提供试验依据。

1 试验材料与方法

18CrNiMo7-6钢的化学成分如表1所示。

表1 试验钢的化学成分 （质量分数，%）

18CrNiMo7-6钢采用井式气体渗碳炉渗碳，渗碳气体使用甲醇（750～800℃） 和丙烷（800℃以上）等直接滴入炉内而得。其渗碳工艺路线如图1所示，其中Ⅲ阶段工艺有2种：A工艺，保温52 h，碳势为Cp0.70%C～1.15%C；B工艺，保温87 h，碳势为Cp0.65%C～1.10%C。18CrNi-Mo7-6钢经渗碳后移至缓冷坑缓冷，温度降到300℃以下后进入加热炉，温度升至860～880℃保温一段时间，然后再降至830～850℃保温一段时间进行淬火。淬火后，工件内存在淬火应力，为消除残余应力，选择低温回火。低温回火温度为200～220℃，保温12 h出炉空冷。

由热处理手册可知，渗碳时间与渗碳深度成平方根关系，时间越长，渗碳深度越深；时间越短，生产效率越高，能耗越低。本试验目的是获得较深的有效硬化层，并比较不同保温时间对其深度及硬度的影响，故渗碳保温时间选择比常规工艺长。

图1 18CrNiMo7-6钢的渗碳工艺示意图

对热处理后的试验钢进行取样，将试样磨平、抛光，用4%的硝酸酒精浸蚀。然后用Axiovert 40 MAT光学显微镜进行试样显微组织的观察和分析。

同时，利用TMV-1S显微硬度计测试试验钢渗碳层的硬度梯度，加载载荷为1 000 g，加载时间为15 s。利用THRP-150D洛氏硬度计测试试验钢的表面和心部硬度。

2 试验结果与分析

2.1 显微组织

图2和图3分别为18CrNiMo7-6试验钢经渗碳A工艺和B工艺后，再经淬火回火后的显微组织。通过对比图2和图3可以发现渗碳A工艺和B工艺得到的相同部位的显微组织基本相似，渗碳试验钢的表层组织为回火马氏体+分散细小碳化合物+少量残余奥氏体（如图2a和图3a），心部主要组织为回火马氏体（如图2b和图3b）。图3b中回火马氏体较图2b中回火马氏体粗大，这是由于渗碳处理后A工艺和B工艺均未进行细化晶粒处理，而渗碳B工艺保温时间长，组织处于高温时间长，晶粒易长大，故心部组织较A工艺中晶粒粗大，采用相同的淬火回火工艺处理后，B工艺（如图3b） 获得的回火马氏体组织晶粒粗大。此外，渗碳试验钢的表层和心部组织中的回火马氏体的形貌差别明显，表层组织中的马氏体为针状，而心部组织中的马氏体为板条状。表层组织中针状马氏体为高碳马氏体，由于渗碳，碳含量明显增加达到中高碳钢水平（碳含量约为0.65～0.9%）；心部组织中板条马氏体为低碳马氏体，心部受渗碳影响很小，碳含量增加不明显，仍保持低碳钢水平（碳含量约为0.15～0.20%）。

图2 渗碳A工艺试验钢的显微组织

图3 渗碳B工艺试验钢的显微组织

2.2 渗碳层的硬度

图4为18CrNiMo7-6试验钢经渗碳等热处理后由表面到心部的显微硬度。由图4可见，渗碳后试验钢由表面到心部的显微硬度呈逐渐下降的趋势。这是由于渗碳时，离表面越远的碳原子扩散越困难，因此从表面到心部碳含量逐渐下降，所以硬度也逐渐下降。此外，从图4中还可以发现渗碳B工艺试验钢的硬度要略高于渗碳A工艺试验钢的硬度，这是由于渗碳B工艺第Ⅲ阶段保温时间为87 h明显长于渗碳A工艺第Ⅲ阶段的保温时间52 h。渗碳时间长，相应试验钢相同位置的碳含量高，因此硬度也略高。但由于钢的溶解度和碳的扩散能力有限，渗碳层硬度差别并不明显。

图4 试验钢的硬度梯度

18CrNiMo7-6试验钢经渗碳等热处理后的有效硬化层深度按照标准GB/T 9450-2005进行测试。经测试，18CrNiMo7-6试验钢的硬度和有效硬化层深度如表2所示，渗碳A工艺试验钢的有效硬化层深度为2.8 mm，渗碳B工艺试验钢的有效硬化层深度为3.3 mm。渗碳B工艺的有效硬化层深度大于渗碳A工艺，说明增加渗碳工艺第Ⅲ阶段保温时间有利于增加有效硬化层深度。此外，渗碳B工艺试验钢表面和心部的硬度也高于渗碳A工艺试验钢表面和心部的硬度。渗碳工艺第Ⅲ阶段保温时间由52 h增加到87 h，按照GB/T 9450-2005规定从表面至550 HV为硬化层深度，表2和图4均清晰明确地给出2种工艺的有效硬化层深度，即有效硬化层深度仅增加0.5 mm。

表2 试验钢的硬度和有效硬化层深度

3 结论

第一，增加渗碳热处理工艺渗碳阶段保温时间有利于增加有效硬化层深度，但保温时间增加35 h有效硬化层深度仅增加0.5 mm。因此，若需要渗碳后硬化层深度较大且硬度较高时，可选择B工艺；若工艺要求能耗较低，可选择A工艺。

第二，渗碳热处理工艺渗碳阶段的保温时间为52～87 h，试验钢的有效硬化层深度为2.8～3.3 mm。

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