18Cr2Ni4WA材料可控气氛炉渗碳工艺研究

周动林

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 黑龙江哈尔滨 150066

摘要：本文采用可控气氛进行18Cr2Ni4WA材料渗碳处理开展了工艺试验，确定了最佳工艺参数，通过试验可以保证显微组织、碳化物、残余奥氏体符合HB5492的要求，实现了热处理后硬度达到HRC≥62，符合使用要求。

关键字：18Cr2Ni4WA 可控气氛炉渗碳

第一章　绪　论

渗碳是将钢件加热至奥氏体状态下，于富碳介质中长时间保温，使碳原子渗入表层，增加钢件表面的碳含量，然后通过淬火获得高强度的马氏体组织，达到提高硬度、耐磨性及疲劳强度的目的。

18Cr2Ni4WA钢含有较多的Cr、Ni等合金元素,具有优良的力学性能和工艺性能,被广泛地用于制造高速、重载条件下的船用发动机、航空发动机、坦克发动机及其它大型机械的主要承载件,如曲轴、套齿、转接盘、法兰盘等。其可贵之处不仅在于该钢具有良好的强韧性、低温冲击韧度、回火稳定性以及较低的回火脆性和缺口敏感性,而且还在于获得上述性能时,并不需要在淬火硬化时采用急冷措施。因为18Cr2Ni4WA钢所具有的高淬透性,会使其在空冷时即可淬透。因此,对于截面较大、重载、使用温度变化大、形状复杂、精度高的工件,是不可替代的理想材料。但是,18Cr2Ni4WA钢中的粗大晶粒组织会显著降低钢的强度和韧性,而且其显微组织的遗传倾向较大,该钢的组织晶粒一旦粗大化,就很难通过一次正火彻底消除。18Cr2Ni4WA钢的化学成分及渗碳前后的临界^[1]。

18Cr2Ni4WA钢的相变有如下特点:

(1)恒温转变马氏体点之上只有一个贝氏体相变区,并且随着含碳量的增加(渗碳)而向右推移。

(2)过冷奥氏体的稳定性很大,对中小型零件加热后空冷可以得到马氏体和少量贝氏体。

(3)经渗碳后的临界点ＡＣ1比一般钢种还低,马氏体点下降更多。

泵轴类采用18Cr2Ni4WA材料。该泵轴材料要求零件轴颈及外花键渗碳，轴颈渗层有效深度(1.6～1.9)mm,花键渗层深度要求(0.8～1.0)mm，表面硬度HRC≥62，心部硬度HRC40～45。我厂并没有针对此种材料该渗层深度及高表面硬度的渗碳工艺参数，通过查阅和参考大量的有关理论和实际资料，逐步摸索渗碳工艺参数。本课题研究的意义，利用爱协林可控气氛渗碳炉，进行多次的工艺试验，获得大量的试验数据和实际生产经验，最终建立该材料模拟渗碳工艺方案，各项指标都可以满足技术要求。

第二章 实验方案

2.1试验的准备

试验所用材料为18Cr2Ni4WA钢。标准试样尺寸为φ30×20，试样经整体镀铜后，采用 RJX型炉进行淬火，保温温度为860℃，保温时间1.5h，冷却方式为油冷；回火设备为RJX型炉，保温温度为580℃，保温2h，零件调质后硬度为（30～32）HRC。

2.2试验设备和检测方法

采用爱协林可控气氛炉进行渗碳处理；

采用可控气氛炉型炉进行渗碳后高温回火；

用郑州机械研究所生产的自动定碳仪来确定渗碳过程中炉内碳势的定碳箔片碳含量。

采用最新引进的冷冻机完成淬火后的-80℃冷处理工序。

零件采用盐城丰东热处理有限公司生产的少氧化炉进行淬火。

依据HB5492用金相显微镜观察零件表面渗层及心部组织。

依据HB5493，采用维氏显微硬度法检测渗碳层深度。

2.3试验工艺方案

方案一：

采用可控气氛炉进行，一次渗碳工艺参数为：

渗碳：保温温度为（900±10）℃，

碳势：Ⅰ (0.30～0.40)%C 保温(30～40)min

Ⅱ (1.05%～1.15)%C 保温8h

Ⅲ (0.95～1.05)%C 保温8h

渗碳结束后，炉温降至（840±20）℃，碳势（0.8～1.0）%C，保温时间（30～40）min，充保护气氛冷却。

高温回火：设备为可控气氛炉，保温温度为（650±30）℃。保温时间为(5～5.5)h，冷却介质为空气。

方案二：

采用可控气氛炉进行，一次渗碳工艺参数为：

渗碳：保温温度为（900±10）℃，

碳势：Ⅰ (0.30～0.40)%C 保温(30～40)min

Ⅱ (1.0%～1.1)%C 保温8h

Ⅲ (0.9～1.0)%C 保温8h

渗碳结束后，炉温降至（840±20）℃，碳势（0.8～1.0）%C，保温时间（30～40）min，充保护气氛冷却。

高温回火：设备为可控气氛炉，保温温度为（650±30）℃。保温时间为(5～5.5)h，冷却介质为空气。

方案三：

采用可控气氛炉进行，一次渗碳工艺参数为：

渗碳：保温温度为（900±10）℃，

碳势：Ⅰ (0.30～0.40)%C 保温(30～40)min

Ⅱ (1.0%～1.1)%C 保温6h

Ⅲ (0.9～1.0)%C 保温10h

渗碳结束后，炉温降至（840±20）℃，碳势（0.8～1.0）%C，保温时间（30～40）min，充保护气氛冷却。

高温回火：设备为可控气氛炉，保温温度为（650±30）℃。保温时间为(5～5.5)h，冷却介质为空气。

在一次渗碳深度的三种不同的实验方案下，二次渗碳采用可控气氛炉相同的工艺参数进行渗碳，二次渗碳参数为：

采用可控气氛炉进行，一次渗碳工艺参数为：

渗碳：保温温度为（900±10）℃，

碳势：Ⅰ (0.30～0.40)%C 保温(30～40)min

Ⅱ (1.05%～1.15)%C 保温4h

渗碳结束后，炉温降至（840±20）℃，碳势（0.8～1.0）%C，保温时间（30～40）min，充保护气氛冷却。

高温回火：设备为可控气氛炉，保温温度为（650±30）℃。保温时间为(5～5.5)h，冷却介质为空气。

淬火：设备为少氧化炉，保温温度为（850±10）℃。保温时间为(40～60)min，

冰冷处理：设备为冷冻机，保温温度为（≤-70）℃。保温时间为(2～2.5)h，冷却介质为空气。

低温回火：设备为空气循环炉，保温温度为（150±10）℃。保温时间为(3～3.5)h，冷却介质为空气。

方案四：

采用可控气氛炉进行，一次渗碳工艺参数为：

渗碳：保温温度为（900±10）℃，

碳势：Ⅰ (0.30～0.40)%C 保温(30～40)min

Ⅱ (1.0%～1.05)%C 保温6h

Ⅲ (0.9～0.95)%C 保温10h

渗碳结束后，炉温降至（840±20）℃，碳势（0.8～1.0）%C，保温时间（30～40）min，充保护气氛冷却。

高温回火：设备为可控气氛炉，保温温度为（650±30）℃。保温时间为(5～5.5)h，冷却介质为空气。

在一次渗碳深度的四种不同的实验方案下，二次渗碳采用可控气氛炉相同的工艺参数进行渗碳，二次渗碳参数为：

采用可控气氛炉进行，一次渗碳工艺参数为：

渗碳：保温温度为（900±10）℃，

碳势：Ⅰ (0.30～0.40)%C 保温(30～40)min

Ⅱ (1.05%～1.15)%C 保温4h

渗碳结束后，炉温降至（840±20）℃，碳势（0.8～1.0）%C，保温时间（30～40）min，充保护气氛冷却。

高温回火：设备为可控气氛炉，保温温度为（650±30）℃。保温时间为(5～5.5)h，冷却介质为空气。

淬火：设备为少氧化炉，保温温度为（850±10）℃。保温时间为(40～60)min，

冰冷处理：设备为冷冻机，保温温度为（≤-70）℃。保温时间为(2～2.5)h，冷却介质为空气。

低温回火：设备为空气循环炉，保温温度为（150±10）℃。保温时间为(3～3.5)h，冷却介质为空气。

第三章 试验结果与分析

3.1试验结果

按方案一，1.15%C，保温8h，1.05%C，保温8h进行一次渗碳，1.1%C，保温4h进行二次渗碳，渗碳热处理后对试验件进行检测。其金相组织按HB5492进行评级，深层金相组织出现马氏体+少量角状碳化物，呈现均匀排布，碳化物为5级，残余奥氏体为3级，心部组织为2级。按HB5493检查渗碳后的渗层深度，要求渗层深度深层为（1.6～1.9）mm，浅层要求为（0.8～1.0）mm。试验深度自检结果可以看出，零件在经过两次渗碳后，零件深度能够满足图纸要求，渗层深度接近上限值，试料自检深浅层在0.1处存在脱碳现象，次表层硬度值合格，为了确定试料硬度最终合格性，对试料进行硬度检测，试料自检硬度合格，零件硬度检测结果：表面硬度要求（HRC≥62）实测值62.1～63.3，心部硬度（HRC40～45）实测值44.2～43.1。

按方案二，1.1%C，保温8h，1.0%C，保温8h进行一次渗碳，1.1%C，保温4h进行二次渗碳，渗碳热处理后对试验件进行检测。其金相组织按 HB5492进行评级，深层金相组织出现马氏体+少量角状碳化物，呈现均匀排布，碳化物为5级，残余奥氏体为3级，心部组织为2级；按HB5493检查渗碳后的渗层深度，要求渗层深度深层为（1.6～1.9）mm，浅层要求为（0.8～1.0）mm,可以看，在相同的渗碳时间，降低碳势的情况下，渗层深度仍然能够满足实验要求，在合格范围内，只是试件表面的HV硬度略有降低，而且试验渗层接近实验要求上限，结合试料深浅层金相，渗层金相还是存在角状碳化物，角状碳化物略有减少，浅层金相合格，为正常的马氏体+少量的奥氏体。自检试料深浅层在0.1处也存在脱碳现象，次表层硬度值合格，为了确定试料硬度最终合格性，对试料进行硬度检测，试料自检硬度合格，零件硬度检测结果：表面硬度要求（HRC≥62）实测值62.1～62.3，心部硬度（HRC40～45）实测值43.8

试料在经过实验二的碳势时间，深层金相碳化物虽然有随改善，但是按照HB5492来分析，碳化物≥5级，为不合格，又考虑零件最终表面硬度要求HRC≥62，所以决定在实验二的前提下保证碳势不变，对强渗段时间进行调整，我们进行实验三，1.1%C，保温6h，1.0%C，保温10h进行一次渗碳，1.1%C，保温4h进行二次渗碳，碳热处理后对试验件进行检测。其金相组织按 HB5492进行评级，深层金相组织与实验二大体相同，出现马氏体+少量角状碳化物，碳化物为5级，残余奥氏体为3级，心部组织为2级； 按HB5493检查渗碳后的渗层深度，要求渗层深度深层为（1.6～1.9）mm，浅层要求为（0.8～1.0）mm,零件硬度检测结果：表面硬度要求（HRC≥62）实测值62.1～62.2，心部硬度（HRC40～45）实测值42.8～43.1。实验结果表明，试料自检表面硬度及心部硬度合格，为了消除试料的大块角状碳化物，又能够保证零件表面硬度合格，决定渗碳时间不变，降低强渗段的碳势，按照方案四进行渗碳。1.05%C，保温6h，0.95%C，保温10h进行一次渗碳，1.1%C，保温4h进行二次渗碳，碳热处理后对试验件进行检测。其金相组织按 HB5492进行评级，深层金相组织，出现马氏体+少量残余奥氏体，碳化物为4级，残余奥氏体为2级，心部组织为2级； 按HB5493检查渗碳后的渗层深度，要求渗层深度深层为（1.6～1.9）mm，浅层要求为（0.8～1.0）mm。

硬度检测结果：表面硬度要求（HRC≥62）实测值62～62.1，心部硬度（HRC40～45）实测值43.8～44.1。试料在经过相同时间渗碳，强渗段碳势降低的情况下，试料的金相组织有所明显改善，已经能够达到HB5492的标准等级，试料的渗层深度基本相同，未有太大变化，而且试料的表面硬度及心部硬度都能够满足图纸要求。

3.2分析

三种渗碳方案所得到金相结果均符合要求，表面硬度及心部硬度也都符合图纸要求，其具体数值。

方案一：渗层深度0.72mm，碳化物4级，残余奥氏体3级，心部组织2级，表面硬度HRC59～60，心部硬度HRC 43～44；

方案二：渗层深度0.85mm，碳化物4级，残余奥氏体2级，心部组织2级，表面硬度HRC56～57，心部硬度HRC 42～43；

方案三：渗层深度0.85mm，碳化物4级，残余奥氏体2级，心部组织2级，表面硬度HRC56～57，心部硬度HRC 42～43；

这表明试验所选的渗碳温度、碳势、高温回火温度、淬火温度等参数选取正确，可以保证要求。

第四章、结论

1、采用可控气氛进行18Cr2Ni4WA材料渗碳处理可以保证显微组织、碳化物、残余奥氏体符合HB5492的要求并保证硬度符合HRC≥62的要求。

2、渗碳热处理的工艺参数：

设备为可控气氛炉。保温温度为（900±10）℃。

一次渗碳：保温温度为（900±10）℃，

碳势：Ⅰ (0.30～0.40)%C 保温(30～40)min

Ⅱ (1.0%～1.05)%C 保温6h

Ⅲ (0.9～0.95)%C 保温10h

渗碳结束后，炉温降至（840±20）℃，碳势（0.8～1.0）%C，保温时间（30～40）min，充保护气氛冷却。

高温回火：设备为可控气氛炉，保温温度为（650±30）℃。保温时间为(5～5.5)h，冷却介质为空气。

淬火：设备为少氧化炉，保温温度为（850±10）℃。保温时间为(40～60)min，

冰冷处理：设备为冷冻机，保温温度为（≤-70）℃。保温时间为(2～2.5)h，冷却介质为空气。

低温回火：设备为空气循环炉，保温温度为（150±10）℃。保温时间为(3～3.5)h，冷却介质为空气。

二次渗碳：保温温度为（900±10）℃，

碳势：Ⅰ (0.30～0.40)%C 保温(30～40)min

Ⅱ (1.05%～1.15)%C 保温4h

渗碳结束后，炉温降至（840±20）℃，碳势（0.8～1.0）%C，保温时间（30～40）min，充保护气氛冷却。

高温回火：设备为可控气氛炉，保温温度为（650±30）℃。保温时间为(5～5.5)h，冷却介质为空气。

淬火：设备为少氧化炉，保温温度为（850±10）℃。保温时间为(40～60)min，

冰冷处理：设备为冷冻机，保温温度为（≤-70）℃。保温时间为(2～2.5)h，冷却介质为空气。

低温回火：设备为空气循环炉，保温温度为（150±10）℃。保温时间为(3～3.5)h，冷却介质为空气。

参考文献

[1].陈仁悟，林建生.化学热处理原理[M].北京：机械工业出版社，1988

[2] 汪志良.《中国航空材料手册》.中国标准出版社，1988.

[3] 曾西军.Q/1BnYJ 81-2008 9310钢渗碳与热处理工艺规范,2008.

[4] 何鹏，刘新继.控制热处理变形最简捷的方法.西安：汽车齿轮，2006年第1期.

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