近十多年來，風力發電、高鐵等的高速發展，歐標18CrNiMo7-6鋼被廣泛應用于制造風電變速箱齒輪、大模數齒輪、重載齒輪等。隨著齒輪模數增大，滲碳工藝要求有效硬化層深在3mm，甚至4mm或5mm以上。對于18CrNiMo7-6滲碳鋼硬化層深在3mm以上的滲碳工藝，國內一直有不同的觀點，而歐美都采用滲碳直接淬火工藝。因此，對18CrNiMo7-6鋼硬化層深在3mm以上，采用滲碳直接淬火和滲碳一次淬火兩種不同工藝，進行金相組織、力學性能研究，為18CrNiMo7-6鋼滲碳熱處理提供工藝試驗依據。
試驗材料和試驗方法
試驗用18CrNiMo7-6鋼采用電弧爐真空脫氣冶煉，澆注成鋼錠，經開坯、鍛造撥長，以及正火、高溫回火預先熱處理，制成φ30mm×180mm圓棒試樣，再進行滲碳。試樣化學成分為wC=0.18%，wSi=0.28%，wMn=0.70%，wCr=1.6%，wMo=0.29%，wNi=1.48%，wP=0.013%，wS=0.011%，H≤2×10-6，O≤20×10-6，其余為Fe。
φ30mm×180mm圓棒試樣與齒輪一起在Aichelinφ1600mm×2000mm井式可控氣氛滲碳爐滲碳，滲碳溫度920～930℃，滲碳強滲期碳勢控制在1.1%～1.2%，強滲時間38～45h，擴散期碳勢為0.65%～0.75%，擴散時間為14～20h。然后隨爐降溫。降溫至830～850℃保溫0.5h出爐。其中兩件試樣直接入60℃Ｇ油淬火，淬火時間30min；另兩件試樣入緩冷爐緩慢冷卻至室溫，再隨零件進Aichelin多用爐加熱，加熱溫度830～850℃，碳勢為0.65%～0.75%，保溫6h，入60℃Ｇ油淬火，淬火時間30min。4件試樣均在160～180℃回火6h，出爐空冷。滲碳淬火、低溫回火后按GB/T25744—2010《鋼件滲碳淬火回火金相檢驗》和GB/T9450—2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》進行金相組織和有效硬化層深度檢驗。利用AXIOOBSERVER.AI金相顯微鏡觀察組織，利用FM—700半自動顯微硬度計檢驗有效硬化層深度，利用CMT5303萬能試驗機進行拉伸試驗，利用ZBC3302B沖擊試驗機進行沖擊試驗。
試驗結果與討論
1.18CrNiMo7-6鋼滲碳直接淬火的組織性能
18CrNiMo7-6鋼滲碳直接淬火、低溫回火工藝曲線如圖1所示。
圖1 18CrNiMo7-6鋼滲碳直接淬火、低溫回火工藝曲線
試驗結果：滲碳層組織如圖2所示，C1級，M4級，殘留A4級，硬化層深度HV1550：3.84mm，表面硬度60～61HRC；心部組織如圖3所示，為低碳馬氏體；心部硬度40HRC；晶粒度如圖4所示；力學性能如表1所示。
表1 18CrNiMo7-6滲碳直接淬火低溫回火后力學性能
抗拉強度 Rm/MPa | 屈服強度 Rp0.2/MPa | 伸長率 A（%） | 斷面收縮率 Z（%） | 沖擊吸收能量 KV/J |
1229 | 1014 | 9 | 49 | 49 |
圖2 18CrNiMo7-6鋼滲碳層組織
圖3 18CrNiMo7-6鋼心部組織
圖4 18CrNiMo7-6鋼晶粒度
2.18CrNiMo7-6鋼滲碳一次淬火的組織性能
18CrNiMo7-6鋼滲碳、加熱淬火、低溫回火工藝曲線如圖5所示。
圖5 18CrNiMo7-6鋼滲碳、加熱淬火、低溫回火工藝曲線
試驗結果：滲碳層組織如圖6所示，C1級，M3級，殘留A2級，硬化層深HV1550：3.90mm表面硬度60～61HRC；心部組織如圖7所示，為低碳馬氏體；心部硬度40HRC；晶粒度如圖8所示；力學性能如表2所示。
圖6 18CrNiMo7-6鋼滲碳層組織
圖7 18CrNiMo7-6鋼心部組織
圖8 18CrNiMo7-6鋼晶粒度
表2 18CrNiMo7-6滲碳緩冷再加熱淬火低溫回火后力學性能
抗拉強度 Rm/MPa | 屈服強度 Rp0.2/MPa | 伸長率 A（%） | 斷面收縮率 Z（%） | 沖擊吸收能量 KV/J |
1262 | 1048 | 9.5 | 51 | 45 |
3.討論
（1）力學性能
18CrNiMo7-6鋼滲碳直接淬火加低溫回火和滲碳緩冷再加熱淬火再低溫回火，兩種工藝熱處理后其抗拉強度和屈服強度均很高，抗拉強度分別為1229MPa、1262MPa，屈服強度分別為1014MPa、1048MPa，塑性、韌性很好，伸長率分別為9%、9.5%，斷面收縮率分別為49%、51%，沖擊吸收能量分別為49J、45J。兩種不同的滲碳淬火方式，強度、塑性、韌性指標很接近，這是因為18CrNiMo7-6鋼合金元素Cr在合金鋼中大部分溶于鐵素體，使鋼的等溫曲線右移，提高鋼的強度和淬透性，同時也提高鋼的硬度和耐磨性；合金元素Ni在平衡條件下幾乎完全溶于鐵素體，使鋼的等溫曲線右移，且Ni鋼在加熱時晶粒不易長大。Ni的良好作用在于含量增高時，能在適當提高強度的同時，對塑性、韌性有良好的影響，尤其是低溫沖擊韌度值較高。鋼中同時加入Cr、Ni，除了Cr的強化作用，還可以保持Ni的良好作用，從而得到高的綜合力學性能。同時，由于Cr、Ni的相互作用，使鋼的淬透性提高很多，遠超單獨元素的作用。少量Mo元素的加入有細化晶粒的作用，因此18CrNiMo7-6鋼滲碳、淬火、低溫回火后強度高，塑韌性好。
（2）組織
18CrNiMo7-6鋼滲碳直接淬火加低溫回火和滲碳緩冷再加熱淬火再低溫回火，兩種工藝熱處理后滲碳層金相組織分別為馬氏體4級和3級，殘留奧氏體分別為4級和2級，碳化物均為1級，心部為低碳馬氏體，實際晶粒度均為7～8級。滲碳直接淬火＋低溫回火后，馬氏體和殘留奧氏體級別比滲碳、緩冷、加熱淬火＋低溫回火高1級和2級，碳化物和心部組織均一樣。因為，Ni與鐵生成無限互溶的γ相區為奧氏體形成元素，Ni在鋼中不能與碳結合形成碳化物；Cr、Mo與碳能形成碳化物，屬中等碳化物形成元素。18CrNiMo7-6鋼在滲碳緩冷過程中，會有Cr、Mo等元素的碳化物析出，使奧氏體中碳含量降低，在重新加熱淬火過程中，由于Cr、Mo等元素的碳化物溶解較慢，奧氏體中的C、Cr、Mo含量減少，使奧氏體的馬氏體轉變開始點升高，因而淬火冷卻后組織較細而殘留奧氏體較少。所以，滲碳直接淬火、低溫回火比滲碳緩冷、加熱淬火、低溫回火，表層高碳馬氏體稍粗大、殘留奧氏體量稍多。Ni鋼在加熱時晶粒不易長大，同時Mo也有細化晶粒作用，因此，滲碳直接淬火和滲碳緩冷再加熱淬火其晶粒大小基本一致，均為7～8級。由于淬透性較好，因此心部均為低碳馬氏體組織。
結論
通過對18CrNiMo7-6鋼深層滲碳直接淬火、低溫回火和滲碳緩冷再加熱淬火、低溫回火兩種工藝試驗研究，得出如下結論：
（1）18CrNiMo7-6鋼930℃滲碳，滲碳強滲碳勢控制1.1%～1.2%，時間40h，擴散碳勢0.65%～0.75%，時間為15h，然后隨爐降溫至830℃，碳勢0.65%～0.75%，保溫0.5h出爐，在60℃G油淬火，冷卻0.5h，并160℃×6h回火后，滲碳層組織C1級，M4級，A殘4級，硬化層深度HV1550：3.84mm，表面硬度60～61HRC，心部組織1級，心部硬度40HRC；晶粒度7～8級；抗拉強度：1229MPa，屈服強度：1014MPa，伸長率9%，斷面收縮率49%，沖擊吸收能量49J。
（2）18CrNiMo7-6鋼930℃滲碳，滲碳強滲碳勢控制1.1%～1.2%，時間40h，擴散碳勢0.65%～0.75%，時間為15h，然后隨爐降溫至830℃，碳勢0.65%～0.75%，保溫0.5h出爐緩冷至室溫，再加熱至830℃，碳勢0.65%～0.75%，保溫6h，入60℃Ｇ油淬火，并160℃×6h回火后，滲碳層組織C1級，M3級，殘留A2級，硬化層深HV1550：3.90mm表面硬度60～61HRC，心部組織1級，心部硬度40HRC；晶粒度7～8級；抗拉強度：1262MPa，屈服強度：1048MPa，伸長率9.5%，斷面收縮率51%，沖擊吸收能量45J。
作者：郁俐、涂小龍
單位：杭州前進齒輪箱集團股份有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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