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1 簡(jiǎn)介

 

介紹了20CrMo鋼表面碳濃度對(duì)其熱處理工藝性能的影響，須嚴(yán)格控制滲碳過(guò)程中的碳濃度，保證在整個(gè)滲碳過(guò)程中爐內(nèi)氣氛的碳含量在設(shè)定范圍，確保經(jīng)過(guò)滲碳工藝處理后工件的表面碳濃度達(dá)到要求；同時(shí)適 當(dāng)優(yōu)化淬火工藝，最終確保工件得到較好的淬火硬度，從而獲得了良好的耐磨性。

 

20CrMo屬于低合金碳素結(jié)構(gòu)鋼，廣泛應(yīng)用于 各型工件的生產(chǎn)應(yīng)用，如齒輪、軸、高強(qiáng)度緊固件 等。在某公司的生產(chǎn)應(yīng)用中，將此材質(zhì)用于工程機(jī) 械上液壓破碎器的液壓缸，要求經(jīng)過(guò)滲碳熱處理后 具有高硬度、高耐磨性能特性，同時(shí)要求良好的塑 性和韌性，即具有良好的綜合力學(xué)性能 。在液壓缸初期生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)正常工藝流 程后，發(fā)現(xiàn)工件的表面硬度整體偏低，即使在不同 的工藝條件控制下，仍舊沒有解決工件表面硬度偏 低的問(wèn)題，對(duì)此，我們對(duì)工件進(jìn)行了有針對(duì)性的研究。

 

2 液壓缸的熱處理工藝、技術(shù)要求及問(wèn)題 

 

該型液壓缸體積較大，產(chǎn)品單重在365kg左 右，有效厚度為150～200mm，工件實(shí)物如圖1所示。

 

 

經(jīng)過(guò)熱處理滲碳淬火后，要求工件的滲碳層深為1.0～1.4mm，工件的整體硬度控制在58～62HRC，GB/T 3077—1999《合金結(jié)構(gòu)鋼中》對(duì)20CrMo鋼的化學(xué)成分要求見表1。

 

 

在實(shí)際生產(chǎn)中，采用多種工藝方法進(jìn)行處理，結(jié)果顯示表面硬度＜50HRC，均不合格，且通過(guò)調(diào)整滲碳溫度和提高淬火溫度都無(wú)法達(dá)到技術(shù)要求，具體熱處理工藝見表2。

 

 

3 液壓缸表面硬度偏低原因分析 

 

（1）滲碳溫度 

 

滲碳溫度是滲碳過(guò)程中重要的工藝參數(shù)，也是影響奧氏體溶碳能力的因素。隨著溫度升高，碳在奧氏體中的溶解度增大，根據(jù)鐵-碳相圖可知，850℃時(shí)碳在奧氏體中的飽和溶解度為1.0%，930℃時(shí)為1.25%，滲碳溫度的準(zhǔn)確性，直接影響到工件的淬火質(zhì)量。 

 

經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)備的9點(diǎn)溫度檢測(cè)，溫度不存在偏差，爐溫正常，未發(fā)現(xiàn)明顯的溫度差異，因此排除溫度對(duì)工件表面硬度的影響。 

 

（2）碳濃度的影響 

 

在工藝執(zhí)行過(guò)程中，每個(gè)工藝編號(hào)條件下，都采用了隨爐試塊 （25mm×25mm），對(duì)試塊硬度的檢測(cè)結(jié)果要好于工件本體硬度，按照工藝3執(zhí)行的滲碳試塊，工件端面及縱向的硬度檢測(cè)結(jié)果見表3。

 

 

按照GB/T 9450—2005《鋼鐵滲碳淬火有效硬化層深度的測(cè)定和校核》規(guī)定的硬度法，對(duì)熱處理后的隨爐試塊進(jìn)行滲碳層硬度梯度檢測(cè)，結(jié)果見表 4。 

 

 

按照金相分析方法，對(duì)試塊的滲層進(jìn)行觀察，以確定滲層中碳濃度是否達(dá)到規(guī)定的要求，檢測(cè)工件的有效硬化層深度及表面層金相組織如圖2所示。

 

 

通過(guò)對(duì)圖2試塊滲層金相組織的觀察，表層基本上為針狀馬氏體＋殘留奧體體，未見明顯的碳化物組成存在，同時(shí)通過(guò)有效硬化層深度檢測(cè)，試塊在滲碳處理后出現(xiàn)了明顯的“抬頭”現(xiàn)象，說(shuō)明在滲層存在較為明顯的氧化氣氛，導(dǎo)致表面硬度出現(xiàn)偏低，而階梯硬度則出現(xiàn)上升現(xiàn)象。

 

為更好地觀察工件試塊滲層的組織，對(duì)試塊進(jìn) 行退火，退火工藝為：860℃×30min，隨爐冷卻到 500℃，取出空冷。制取金相試樣，觀察20CrMo鋼 滲碳件的平衡態(tài)金相組織，如圖3所示。 

 

 

通過(guò)對(duì)圖3平衡態(tài)金相組織的觀察，其組織形貌與正常低碳鋼滲層緩冷后組織存在較大差異，無(wú)法明顯有效地區(qū)分開滲層組織中的過(guò)共析層、共析層及過(guò)渡層。低碳鋼滲碳緩冷后的組織結(jié)構(gòu)應(yīng)為：表層為珠光體＋網(wǎng)狀滲碳體，往里為共析組織，亞共析組織過(guò)渡區(qū)，直至原始組織。

 

通過(guò)對(duì)圖3平衡態(tài)組織的觀察，其形貌結(jié)構(gòu)更接近于普通中碳鋼經(jīng)過(guò)退火后得到的平衡態(tài)組織，為均勻分布的珠光體＋鐵素體組織，未見明顯的滲碳體，說(shuō)明爐內(nèi)滲碳?xì)夥仗紕?shì)不足，不能保證工件表面得到足夠的碳濃度。因此在滲碳溫度正常的情 況下，需要提高碳勢(shì)，使工件表面獲得足夠的碳濃度，形成有效的碳濃度梯度。

 

4 工藝方法和條件的改進(jìn)

 

碳原子由表面向心部的擴(kuò)散是滲碳得以進(jìn)行并獲得一定深度滲層所必需的。擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力是表面與心部間的碳濃度梯度。要想達(dá)到較好的滲碳效果，既要求活性碳原子及時(shí)得到吸收，保證爐內(nèi)氣氛的均勻循環(huán)，同時(shí)還要求提供的碳原子（分解速 度）與吸收速度相配合，不能形成積碳，也不能供給不足。

 

通過(guò)對(duì)原有工藝環(huán)節(jié)及試塊的分析，認(rèn)為實(shí)際工件的硬度偏低現(xiàn)象，主要原因是爐體內(nèi)氣氛不足造成滲層表面碳濃度偏低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效地滲碳處理，得不到理想的滲層組織，也就無(wú)法達(dá)到足夠的硬度。 

 

對(duì)此，采取針對(duì)性的整改措施，對(duì)設(shè)備進(jìn)行整體檢修，重新更換碳勢(shì)監(jiān)控設(shè)備，爐體密封性驗(yàn)證，再次對(duì)爐內(nèi)氣氛進(jìn)行定碳處理，確保爐內(nèi)氣氛均勻準(zhǔn)確。經(jīng)過(guò)重新評(píng)估爐體條件，重新設(shè)定滲碳淬火工藝參數(shù)后再進(jìn)行生產(chǎn)。調(diào)整后的熱處理工藝見表5。

 

 

通過(guò)調(diào)整后的熱處理工藝處理后的試塊滲層金相組織如圖4所示。

 

 

從圖4可以看出，由于金相組織主要由細(xì)片狀回火馬氏體、細(xì)粒狀碳化物和少量殘留奧氏體組成，與正常的滲碳淬火組織相符，故而保證了有效的表面硬度，使工件的整體表面硬度在技術(shù)條件要求范圍內(nèi)。 

 

為更好地對(duì)比熱處理工藝調(diào)整前后的組織變化，對(duì)試塊進(jìn)行同樣工藝的退火處理。退火工藝為：860℃×30min，隨爐冷卻到500℃，取出空冷。制取金相試樣，觀察20CrMo鋼滲碳件的平衡態(tài)組織。圖5所示為經(jīng)過(guò)調(diào)整工藝熱處理后的退火組 織。

 

 

 

從圖5可以清晰地看到珠光體和網(wǎng)狀滲碳體，對(duì)比圖3中的表層組織，能夠明顯地看出兩者之間的差異。圖3中的組織更接近于普通中碳鋼經(jīng)過(guò)退火后的平衡態(tài)組織，也就是說(shuō)其碳含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）在0.5%左右；而圖5中的平衡態(tài)組織，是正常的滲 碳退火后的珠光體＋網(wǎng)狀滲碳體組織。這種組織變化，充分說(shuō)明在原有工藝條件下的爐體氣氛存在較大問(wèn)題，導(dǎo)致工件滲碳條件達(dá)不到設(shè)定要求，致使工件經(jīng)過(guò)工藝處理后達(dá)不到規(guī)定的技術(shù)要求。

 

5 結(jié)束語(yǔ) 

 

1）低合金碳素結(jié)構(gòu)鋼在滲碳淬火后緩冷的固體相變組織，可以用于確定最終的滲碳層中碳含量，以便確定爐體氣氛是否達(dá)到設(shè)定要求。 

 

2）通過(guò)提高碳勢(shì)，雖然在一定程度上可以起到增強(qiáng)滲碳效果的目的，但由于碳在奧氏體中的飽和溶解度能力有限，故需要根據(jù)實(shí)際情況靈活設(shè)定碳勢(shì)，以避免可能出現(xiàn)的積碳現(xiàn)象。

 

3）滲碳處理設(shè)備的精密程度，將直接影響到最終的熱處理效果。