20CrMnMo钢深层渗碳工艺的探究*

2019-04-17张诚杨杰康冬伟

煤矿机电 2019年2期

张诚，杨杰，康冬伟

(宁夏天地西北煤机有限公司，宁夏石嘴山 753000)

0 引言

逆止器是大型带式输送机制动系统的关键部件之一，其内外圈表面硬度、耐磨性和承载能力是决定产品质量的关键因素。由于内、外圈有效厚度较大，综合性能要求较高，大型逆止器直径高达2 m多，工件有效厚度≥120 mm，用普通热处理方法进行处理时，金相组织、硬度、变形量始终达不到技术要求，台阶处应力比较集中，容易产生裂纹。

深层渗碳可以有效改善上述现象，满足设计要求。所谓深层渗碳是指渗层深度大于3.5 mm以上的渗碳，它可以极大地改善钢的力学性能，特别是疲劳强度和耐磨性有明显提高[1]。深层渗碳与普通渗碳相比，深层渗碳技术难度要大的多。由于深层渗碳工艺周期达几十甚至上百小时，故对渗碳设备和工艺提出了相当苛刻的要求。深层渗碳须具备稳定的渗碳炉系统，合理的深层渗碳工艺体系，以及有效的变形控制和开裂预防措施。

本文通过不断试验探究，形成了一套完整的深层渗碳质量控制体系，通过工业性试验验证，已成功地应用到NJ09、NJ25等逆止器上。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

选用优质渗碳钢20CrMnMo，逆止器内圈尺寸为φ230 mm×290 mm～φ370 mm×290 mm，外圈尺寸为φ460 mm×170 mm～φ600 mm×170 mm。随炉试块φ110mm×110mm两块，用于性能检测。

20CrMnMo属于优质渗碳钢，具有较高淬透性，韧脆转变温度低，其化学成分如表1所示。

1.2 试验方法

采用NL03-501型多用炉进行渗碳处理，通过工控机控制碳势、温度、保温时间等参数，渗碳载气为丙酮+甲醇。采用MM6金相显微镜观察金相组织，用HV-1000Z自动转塔显微硬度计测定显微硬度。

表1 试验用钢的化学成分 %

1.3 逆止器内外圈对渗碳层质量的要求

渗碳淬火后表面及心部硬度要求：表面58～63HRC，心部：33～48HRC，有效硬化层在4 mm以上。渗层组织达到技术要求(按GB/T 28694—2012执行)：碳化物级别达1～3级，马氏体和残余奥氏体达1～4级，心部铁素体的级别达1～4级。

2 试验结果与分析

2.1 渗碳温度的选择

渗碳温度是决定渗碳速度的主要因素，当渗碳层要求一定时，提高渗碳温度，可使渗碳时间缩短,表面碳浓度增大，渗层深度加厚，但高温渗碳对深层渗碳来说不宜采用。逆止器内外圈长时间停留在较高温度，会使晶粒粗化，变形畸变较大。有资料显示，一般情况下，含Mo的钢阻碍晶粒长大的能力比不含Mo的钢强，一般在960 ℃甚至1 000 ℃以上才出现晶粒粗大现象，但20CrMnMo渗碳时表面易形成网状碳化物，且长时间高温热处理将缩短设备的使用寿命[2]。综合考虑，渗碳温度选择920 ℃。

2.2 炉内碳势的控制

炉内碳势增加，使得气氛碳浓度与工件间碳浓度差增大，有利于提高渗碳速度，在较短时间内获得深的渗层。但炉内碳势增加太多,会导致钢表面的活性碳原子来不及吸收，在工件表面沉积，形成大量碳黑，阻碍活性碳原子的进一步渗入，从而降低了渗碳速度。因此，为保证渗层质量，应选择适当碳浓度控制(见渗碳工艺)。

2.3 工艺路线设计

1)常规深层渗碳工艺路线为渗碳→球化退火→二次淬火→回火，如图1所示。

2) 扩散渗碳工艺路线为渗碳→淬火→回火，如图2所示。

在深层渗碳中增加梯度碳浓度强渗和扩散过程，可有效地降低零件表面的碳浓度，使渗层表面的碳浓度适当降低，使奥氏体中碳原子的浓度也随之降低，防止碳浓度超过规定的临界值。与普通深层渗碳工艺相比，920°进行梯度碳浓度分段强渗，碳化物不会急剧增长，然后进行分段梯度碳浓度扩散，零件表面的碳浓度可以得到有效的控制，碳化物溶解的驱动力也能够得到保证。如此一来，零件的碳浓度能够有效扩散，渗碳层又不会出现大的网状和块状碳化物，渗层质量较好。