17CrNiMo6钢高质量渗碳淬火工艺试验研究

17CrNiMo6钢高质量渗碳淬火工艺试验研究

■刘振民，张忠和，王飞宇，于百芳

摘要：对17CrNiMo6渗碳钢进行了不同预备热处理、不同渗碳后淬火方法（一次淬火或二次淬火）的渗碳淬火工艺试验，采用金相法检验渗碳淬火、回火的金相组织，包括碳化物级别，马氏体、残留奥氏体评级，内氧化评级，以及渗层厚度、表面硬度、预备热处理组织等，结论是预备热处理采用调质、渗碳后采用二次淬火的渗碳层性能指标最好，预处理采用正回火、且采用渗碳后一次淬火的碳化物评级不合格。

关键词：高质量；17CrNiMo6钢；渗碳淬火；工艺试验

1. 试验材料及试验方法

试验材料17CrNiMo6钢，熔炼方法为电炉熔炼+炉外精炼，其化学成分列于表1，材料成形采用的是自由锻造，锻造比为3，锻造后机械加工，并经超声波检测合格，锻件尺寸为φ142mm×330mm。

渗碳淬火工艺试验方案见表2，1、2号，3、4号的预备热处理同炉；4个试样的渗碳工艺同炉；2、4号一次淬火同炉；4个试样的高温回火、二次淬火、低温回火都同炉。金相显微组织检验方法按GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》标准[1]的规定进行，渗碳淬火后的渗碳层厚度、表面硬度、碳化物、马氏体、残留奥氏体、内氧化等金相组织检验，按GB/T25744—2010《钢件渗碳淬火回火金相检验》标准[2]进行，并且参考了Q C/ T262—1999《汽车渗碳齿轮金相检验[3]》。

2. 预备热处理后的金相组织检验

3号试样正火+回火后的组织是典型的索氏体组织，1号试样调质后的金相显微组织是以回火马氏体组织为主，对比金相照片，可以看出调质处理后的组织更加均匀细小，金相组织比正火回火的好（见图1）。

3. 渗碳淬火回火后的金相组织检验

我们对不同渗碳淬火工艺方案试验完成的试样，按GB/ T25744—2010《钢件渗碳淬火回火金相检验》标准[2]和Q C/ T262—1999《汽车渗碳齿轮金相检验》标准，进行了渗碳层的性能指标检验分析。

（1）碳化物级别的检验 碳化物级别的检验，按GB/ T25744—2010《钢件渗碳淬火回火金相检验》标准，根据碳化物的形态、数量、大小以及分布，对照金相图谱进行碳化物级别的评定，检验部位为近渗层的表层区域，4个试样的碳化物级别照片见图2，1号评为三级、2号评为一级、3号评为五级、4号评为二级，从碳化物级别的评定结论看，预备热处理调质的都比正回火的好，二次淬火的都比一次淬火的好，要求高质量时要选择预备处理调质且二次淬火；其次选择二次淬火的即可；对于预备热处理正回火且渗碳后一次淬火，碳化物的评级是不合格的。

表1 试验材料17CrNiMo6钢的化学成分（质量分数） （%）

C Si Mn Cr Mo Ni S P 0.18 0.28 0.52 1.70 0.30 1.62 0.004 0.006

表2 渗碳淬火工艺试验方案

编号预备热处理渗碳工序一次淬火高温回火二次淬火低温回火1调质930℃×18h—610℃×5.5h820℃×3.5h180℃×7h 2调质同上850℃×3.5h同上同上同上3正火、回火同上—同上同上同上4正火、回火同上850℃×3.5h同上同上同上

（2）马氏体、残留奥氏体级别的检验 马氏体+残留奥氏体评级参考QC/T262—1999汽车渗碳齿轮金相检验标准评定，马氏体的级别按照马氏体针的长度进行评级，四种渗碳淬火工艺方案的马氏体针的长度基本差别不大，2号试样最好、评为一级，其余评为二级；残留奥氏体的评级，根据残留奥氏体的含量进行评级，四种工艺方案的残留奥氏体量都不超过10%，均评定为二级（见图3）。

（3）表层内氧化级别的检验 本试验四个试样的内氧化金相照片见图4。表层内氧化深度的级别检验，将抛光好的金相试样，不进行腐蚀，在光学显微镜下放大500倍进行测量，以表层的内氧化层的深度进行评级，表层未见沿晶界分布的灰色氧化物为一级，小于6μm的为二级，小于12μm的为三级，小于20μm的为四级， 按齿轮标准不能超过4级，从我们的试验结果看，17CrNiMo6钢不易产生内氧化，1、2、4号试样，基本没有内氧化，只有3号试样略有内氧化，但也评定为二级，对于高质量的渗碳淬火齿轮也是合格的，结论是17CrNiMo6钢抗内氧化的能力良好。

图1 不同预备热处理的金相组织照片

图2 渗碳淬火后的碳化物级别金相照片（400×）

图3 渗碳淬火后的马氏体、残留奥氏体级别金相照片（400×）

（4）心部组织检验 心部组织的定义是距离表面3倍于有效硬化层深度的区域的组织，心部组织的检验是在腐蚀后，放大500倍用比较法进行评级。根据心部组织的形貌及铁素体的大小、数量进行评定级别，1级没有游离铁素体、2级有少量游离铁素体、3级有少量的铁素体，本项目的最高评级为3级，都是合格的（见图5）。

（5）渗层厚度、表面硬度检验 本试验的渗碳层厚度的检验，采用的是金相检验方法，4%硝酸酒精腐蚀，放大100倍金相检验，四个试样的检验结果基本一致，都是1.6mm。因为渗碳工艺是同炉的，所以可以说无论是预备热处理方法、还是渗碳后的淬火方式如何，对渗碳层的深度基本没有影响，渗碳层的深度主要受渗碳工艺参数的影响。

表面硬度的检验结果见表3。从渗碳淬火后的表面硬度检验结果看差别不是很大，也没有明显的规律性，基本在测量误差范围内，也就是说无论是预备热处理的改变、还是渗碳后的淬火方案的改变，对表面硬度也没有太大的影响。

表3 渗碳淬火处理后的渗层性能指标

编号渗碳层深度/mm表面硬度HRC碳化物/级M+残A /级内氧化/级心部组织/级预备处理备注1 1.6 59.8/61.4/60.3三二一1正火调质一次淬火2 1.6 57.7/56.5/58.1一一一1～2正火调质二次淬火3 1.6 57.6/57.0/60.6五二二2～3正火回火一次淬火4 1.6 58.7/58.7/60.2二二一3正火回火二次淬火

图4 渗碳淬火后的渗层内氧化金相照片（500×）

图5 渗碳淬火后的心部组织照片（500×）

4. 结语

通过四种不同渗碳淬火工艺方案的工艺试验得出结论：渗碳层厚度只同渗碳工艺参数有关；四种不同工艺方案对表面硬度影响不大；预备热处理采用调质的渗碳层性能指标优于正回火的；二次淬火的渗碳层性能指标优于一次淬火的，特别对于碳化物级别二次淬火具有明显的优势。最终结论：预备热处理采用调质，渗碳后采用二次淬火的渗碳层性能指标最好；预备热处理采用正回火，渗碳后采用一次淬火的碳化物评级不合格。心部性能都是合格的。

参考文献：

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 13298—2015 金属显微组织检验方法[S].北京：中国标准出版社，2016.

[2] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/ T25744—2010 钢件渗碳淬火回火金相检验[S].北京：中国标准出版社，2011.

[3] 国家机械工业局.QC/T262—1999汽车渗碳齿轮金相检验[S].

联系电话：[phone]。

张忠和、王飞宇、于百芳，沈阳鼓风机集团股份有限公司。

20170406

作者简介：刘振民，高级工程师，研究生，沈阳机床（集团）有限责任公司，主要研究方向为材料工程学专业 ，已发表论文《磁场对钴基等离子堆焊层作用的研究》等。