12CrNi3A钢制螺塞渗碳淬火工艺研究

王大宏， 林昊昱，王铮，张金卓，王占鸿

1.大连长丰实业总公司 辽宁大连 116038

2.长春工业大学材料科学与工程学院 吉林长春 130000

1 序言

12CrNi3A钢有较高的淬透性，经淬火和回火后有良好的综合力学性能，它的低温韧性好，缺口敏感性小，常用于制造要求表面硬度高而心部有良好综合力学性能的渗碳件[1]。12CrNi3A钢制螺塞为某型机前起落架转弯功能用分流头附件的一个重要基础零件，与轴配合使用，在工作时承受扭转非对称交变载荷和一定的冲击载荷，摩擦受力极不均匀，因此工作面需要较高的硬度，零件心部需具有较优的综合力学性能。根据图样要求，螺塞需要局部渗碳并进行强化热处理。螺塞结构如图1所示。

图1 螺塞结构

技术要求螺塞内K面渗碳深度h＝0.4～0.7mm，硬度≥56HRC，心部硬度32～42HRC。本文通过渗碳、淬火处理工艺试验，验证技术措施的有效性，探讨渗碳后不同强化热处理工艺对性能和组织的影响，并优化热处理工艺，为指导生产实践提供技术参考。

2 试验材料及方法

2.1 试验材料

试验用12CrNi3A钢是航空用钢，为抚顺特殊钢股份有限公司生产的φ35mm电渣冶炼棒材。采用高频电感耦合等离子体原子发射光谱仪检测材料化学成分，见表1。相比GJB 1951—1994《航空用优质结构钢棒规范》中12CrNi3A钢的化学成分，试样材质合格。通过金相法测试原始材料晶粒度等级为7级。

表1 12CrNi3A钢化学成分（质量分数） （%）

2.2 试验方法

试验使用传统RQ-35-9井式渗碳炉，航空煤油+甲醇在910～930℃下裂解的工艺方法进行气体渗碳，该渗碳生产设备及工艺方法较为传统，中浅渗碳层不易控制。考虑到随后热处理工序繁多，极易造成表面渗层脱碳、贫碳，从而降低螺塞的疲劳强度，影响使用的可靠性，为此，对K面采取预留内孔机加工余量至φ17.7+0.1+0.01mm，经渗碳和热处理后再精磨至φ18+0.0180mm制造工艺路线，运用工艺尺寸链计算[2]，调整渗碳层深度为0.55～0.80mm。为了实现重要特性（渗碳层深度及硬度）100%可检测，调整螺塞制造工艺，对其半成品进行渗碳和热处理，随后进行精加工成形，截取工艺夹头进行渗层重要特性检测，具体渗碳工艺见表2。

表2 渗碳工艺

试验用螺塞半成品与拉力试样同炉渗碳，并按 HB/Z 159—2001《航空用钢渗碳、碳氮共渗工艺》规定[3]进行高温回火（650℃×4h，空冷）+正火（900℃×60min，空冷）+淬火。其中淬火分别选取780～820℃，油冷；820～850℃，油冷；二次淬火（第一次850～870℃，油冷；第二次790～820℃，油冷）三种工艺方法进行试验。螺塞半成品及随炉力学性能试样分别如图2、图3所示，本试验强化热处理工艺参数见表3。

表3 强化热处理工艺参数

图2 螺塞半成品示意

图3 力学性能试样

3 试验结果与分析

3.1 渗碳层

对螺塞试样沿轴向切剖，采用维氏硬度测定方法，沿渗碳层由表及里测定有效硬化层，从而间接确定渗碳层深度，硬化曲线如图4所示。

图4 硬化曲线

由图4可见，试样不同位置的渗碳层深度分别为0.765mm、0.770mm、0.771mm，且渗碳层深度均匀性＜0.1mm。渗碳层深度满足0.55～0.80mm控制要求，即本试验采用的制造工艺路线和渗碳工艺参数加工的螺塞半成品，通过后续精加工可实现K面渗碳深度h=0.4～0.7mm的图样技术要求。

3.2 力学性能

采用拉伸试验机和硬度计检测试样的力学性能和硬度，结果见表4。

表4 试样的力学性能和硬度

试验结果表明，采用不同强化热处理工艺参数的非渗碳的2#、4#、6#试样，抗拉强度分别为1296MPa、1297MPa、1312MPa，Ⅰ组、Ⅱ组、Ⅲ组试样，心部硬度值分别为41HRC、40.5HRC、41.5HRC。由此可判断，3种强化热处理工艺方法对12CrNi3A钢基体力学性能宏观影响不大。对于1#、3#、5#渗碳试样，在进行拉伸试验后，宏观断口均无明显颈缩，为典型的脆性断裂，鉴于断口位置偏离试样中心，接近于夹持附近，实测数据偏离较大，不做分析评价。而1#、3#、5#渗碳试样渗碳层硬度检测表明，采用二次淬火工艺方法所获得的渗碳层硬度最高，达到了59HRC，而另外两种强化热处理工艺方法所获得的渗碳层硬度值接近57HRC、56HRC，虽然符合图样技术要求，但均接近下限。从渗碳的本质意义角度来讲，高的表层硬度对于抗磨损和抗疲劳都是极为重要的，在表层碳含量相近的情况下，钢件渗碳后不同的热处理工艺方法所形成的组织将直接影响其性能[4]。显然，本试验二次淬火强化工艺更能提升材料渗碳后的宏观硬度性能。

3.3 金相组织

制备金相试样经3%～5%硝酸酒精溶液腐蚀后，使用Axiosope5蔡司智能金相显微镜观察螺塞半成品渗碳淬火后的金相组织，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组试样的金相组织如图5所示。

图5 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组试样的金相组织

渗碳层金相组织为细针马氏体+少量残留奥氏体，碳化物几乎不可见。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组试样渗碳层相比，Ⅱ组试样马氏体组织略显粗大。按GB/T 25744—2010《钢件渗碳淬火回火金相检验》评定：Ⅱ组试样马氏体评级为3级，Ⅰ、Ⅲ组试样马氏体评级为2级；3组试样渗碳层残留奥氏体评级为1级，网状碳化物为1级。3组试样心部金相组织为板条马氏体+条状、块状铁素体，按GB/T 25744—2010评定：心部组织为4级。由此可以表明，不同强化热处理工艺的3组试样金相组织全部合格。

相关资料表明，12CrNi3A钢作为高强度渗碳钢（抗拉强度＞1200MPa），Cr、Ni元素的加入使其奥氏体等温转变曲线（C曲线）右移，从而大大提高了钢的淬透性。表层渗碳后，随着碳含量的增加，其马氏体转变温度也急剧下降，将使渗碳层在淬火后保留大量的残留奥氏体[5]。由于本试验采用冷处理的工艺方法，使残留奥氏体能够较为充分地转变为马氏体，故组织中残留奥氏体量较少。同时，试样用钢原始晶粒度等级较高，原始晶粒细小，加之渗碳后采取了高温回火+正火预备热处理方式，消除了渗碳后表层碳浓度高的网状碳化物，从而渗碳层组织中碳化物几乎不可见。3组试验心部组织中均有可见条状、块状铁素体组织，应是源于试样热容量小（件数较少），在真空淬火时由热室向冷室转移过程中热量损失较大，可能导致宏观表现为油淬冷却能力不够，关于这一点在后续生产中还应加以验证，如有必要还需增加搅拌或更换真空淬火油等技术措施。

4 结束语

1）通过科学调整渗碳层余量再进行精磨加工的方式，可满足图样渗碳层厚度的技术要求。

2）通过增加螺塞内孔长度预留工艺夹头，全部完工后检测工艺夹头的渗碳层性能（硬度和深度），可实现关键零件重要特性的100%检测。

3）对于原始晶粒度级别较高的12CrNi3A钢，采取标准规定的三种强化热处理工艺方法，均可实现预期技术性能指标。相比于宏观力学性能和微观组织而言，二次淬火的工艺方法获得的微观组织和宏观性能更为优越。