三种常用渗碳钢混装渗碳工艺试验

2023-12-25张艺米佩

金属加工(热加工) 2023年12期

张艺，米佩

宁夏天地奔牛实业集团有限公司宁夏石嘴山 753001

1 序言

重载齿轮是指传递功率大、承载大、低速及受冲击载荷大的齿轮，技术要求其具有优良的耐磨性能、较高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，同时具有较高的抗冲击和承载能力，因此需要对其进行强化热处理[1]，渗碳淬火工艺是硬齿面齿轮强化的主要工艺之一[2]，通过对齿轮进行渗碳淬火处理，可以提高齿轮的综合力学性能及使用寿命。矿用减速器齿轮在材料的选择上，主要有20CrMnTi钢、20CrNi2MoA钢和18CrNiMo7-6钢。为适应单件、小批量产品的生产，从而提高生产效率，降低生产成本，本文对18CrNiMo7-6钢、20CrNi2MoA钢和20CrMnTi钢共3种材料的混装渗碳工艺进行了试验，通过对3种材料采用相同的渗碳工艺参数所获得的碳浓度梯度、硬度、渗层深度及金相组织进行研究，筛选出同时满足3种材料技术要求的渗碳淬火工艺。

2 试验材料及方法

2.1 试验材料及试样

用齿轮毛坯粗车件来代替渗碳齿轮件，随炉装入材料为18CrNiMo7-6钢、20CrNi2MoA钢和20CrMnTi钢剥层试块、渗碳试块各1件，剥层试块尺寸规格为φ50m m×170m m，主要用于表面到中心碳含量的分析，渗碳试块尺寸规格为φ40mm×10mm，主要用于渗碳渗层深度、金相组织、硬度的检测。3种试验材料的化学成分见表1。

表1 试验材料化学成分（质量分数）（%）

2.2 渗碳技术要求

工艺渗碳层深度1.4～1.8 m m，硬度5 8～62HRC，渗层金相组织符合JB/T 6141.3—1992《重载齿轮渗碳金相检验方法》要求。

2.3 试验方案

渗碳设备采用易普森箱式多用炉，渗碳气氛为丙烷＋空气的超级渗碳气氛，易普森箱式多用炉具有碳扩散曲线的自适应功能，能够根据工艺设定渗层深度、碳势及渗层百分比自动计算强渗和扩散时间，确保渗层深度及表面碳含量。

18CrNiMo7-6钢中富含碳化物形成元素Cr，在碳势较高的情况下，表面容易形成角状或网状碳化物，严重缩短零件的使用寿命[3]，20CrNi2MoA钢中富含非碳化物形成元素Ni，表面不容易形成网状碳化物，考虑3种材料在渗碳过程中吸碳能力不同，试验中共设计了两种方案，具体试验参数见表2，工艺中设定渗层深度为1.7mm，心部碳含量（质量分数）设定为0.4%。

表2 渗碳试验参数

试块硬度采用TH301洛氏硬度计检测，金相组织采用光学显微镜DM13000M，按GB/T 13298—1991《金属显微组织检验方法》规定检测显微组织。

3 试验结果与分析

3.1 结果与分析

（1）碳浓度梯度结果采用方案一渗碳处理后，3种材料碳浓度梯度结果如图1所示；采用方案二渗碳处理后，3种材料碳浓度梯度结果如图2所示。

图1 方案一碳浓度梯度

图2 方案二碳浓度梯度

（2）碳浓度梯度分析从图1、图2可知，3 种材料采用同一渗碳工艺进行渗碳淬火后，18CrNiMo7-6钢表面碳含量最高，20CrMnTi钢次之，20CrNi2MoA钢最低。对材料合金元素进行分析，其中Cr、Mo为碳化物形成元素，Ni为非碳化物形成元素。碳化物形成元素可以在渗碳时增加表面碳浓度，使碳浓度梯度变陡，非碳化物形成元素则可减少表面碳浓度，使碳浓度变得平缓。其中，18CrNiMo7-6钢中碳化物形成元素与非碳化物形成元素相互配合，可使渗碳钢有较好的渗碳能力，且18CrNiMo7-6钢在3种材料中含Cr、Mo元素最高，因此表面吸碳能力最强。20CrMnTi钢虽未含Mo元素，但相对而言，因为Cr含量高于20CrNi2MoA钢，所以表面吸碳能力高于20CrNi2MoA钢。

3.2 渗层、金相组织、硬度结果与分析

（1）渗层深度、金相组织、硬度结果采用方案一渗碳处理后，3种材料试块渗层深度、金相组织、硬度结果见表3。采用方案二渗碳处理后，3种材料试块渗层深度、金相组织、硬度结果见表4。

表3 方案一试块渗层深度、金相组织、硬度结果

表4 方案二试块渗层、金相、硬度结果

（2）渗层、金相组织、硬度结果分析从表3、图1结果分析得出，采用方案一工艺参数进行渗碳淬火后，因18CrNiMo7-6钢表面碳含量太高，淬火后试块硬度低于技术要求，且表面存在大量残留奥氏体，金相组织不合格。主要原因：一是18CrNiMo7-6钢Cr含量高，Cr元素等溶入奥氏体中，增加了奥氏体的稳定性，使淬火后残留奥氏体增多；二是渗层C含量过高，使溶入奥氏体的碳量增加，造成淬火后残留奥氏体增多。因此，在3种材料混装时，采用方案一工艺参数不可行。

从表4、图2结果分析得出，采用方案二工艺参数进行渗碳淬火后，3种材料的渗层深度、硬度和金相组织均符合技术要求。