水剂介质在G20Cr2Ni4A渗碳一次淬火中的应用研究

GXF360 2017-12-24

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水剂介质在G20Cr2Ni4A渗碳一次淬火中的应用研究

■ 李检贵，孙伟，康风波

G20Cr2Ni4A在轧机渗碳轴承套圈应用广泛，渗碳一次淬火在轴承行业一直沿袭传统工艺，渗碳后一次淬火采用油介质进行淬火。油淬火油烟对环境的污染大，而且存在着火的危险。本研究渗碳一次淬火改用水剂介质并调整了渗碳及高温回火的部分工艺，不仅避免了环境污染和着火的危险，同时保证轴承套圈渗碳淬火及高温回火后的性能不低于油淬火。此工艺经过一年的批量生产验证效果良好。

1. G20Cr2Ni4A钢的化学成分

G20Cr2Ni4A钢制试验用轴承套圈的化学成分见表1。

2. 水剂的冷却曲线

配制不同浓度的水剂，其冷却曲线如图1～图4所示。

经过对比冷却曲线15%及18%的水剂的冷却速度均接近油的冷却曲线，理论上分析此浓度的水剂进行渗碳一次淬火可以保证不产生淬火裂纹。考虑生产成本选用浓度15%的水剂溶液进行渗碳一次淬火试验。

3. 试验工艺

图1 浓度5%水剂冷却曲线

图2 浓度10%水剂冷却曲线

图3 浓度15%水剂冷却曲线

表1 G20Cr2Ni4A钢的化学成分（质量分数）（%）

元素 C Si Mn Ni Cr S P国标要求 0.17～0.230.15～0.400.30～0.60 3.25～3.75 1.25～1.75 ≤0.020 ≤0.020实测 0.19 0.31 0.45 3.51 1.50 0.010 0.008

原渗碳一次淬火淬油工艺见图5；考虑到淬水剂应力大，渗碳一次淬火淬水剂工艺设计见图6。

由于水剂低温阶段的冷速相对比油大。试验工艺设计在水剂中冷到轴承试验零件表面温度到以下5个温度段后出水剂空冷至室温。5个温度段分别为300～350℃、250～300℃、150～250℃、80～150℃、80℃～室温。轴承试验零件按轴承形状加工，有效壁厚与轴承相当，外径小于轴承套圈（外径400mm），试验零件分5架装入同一渗碳炉渗碳，5架依次分别出炉淬水剂，出水剂表面温度用红外枪测量。每架装试验轴承零件至少两件。

由于高温阶段水剂冷速快，淬火后残留奥氏体量会增加，对高温回火工艺进行改进。每一温度范围的出水剂轴承试验零件分两组分别按原高温回火工艺及改进后高温回火工艺进行回火。

原高温回火工艺如下。

第一次：580℃×6h，空冷。

第二次：650 ℃×6h，空冷。

改进后高温回火工艺如下。

第一次：620℃×6h，空冷。

第二次：680℃×6h，空冷。

渗碳一次淬水剂高温回火后后表面组织、裂纹及表面硬度检验结果见表2。

根据试验结果，可以看出水剂温度为150～250℃，高温回火选用工艺二比较理想。按选定的渗碳工艺、水剂浓度（15%）、出水剂温度（150～250℃）、高温回火工艺进行一年的连续批量生产，没有出现裂纹、硬度及组织不合格的情况，车间环境明显改善。轴承零件正常生产时渗碳一次淬火淬水剂后的产品外观见图7，高温回火后表面显微组织见图8。

图4 浓度18%水剂冷却曲线

图5 渗碳及一次淬火淬油的工艺

图6 渗碳及一次淬火淬水剂的试验工艺

图7 渗碳一次淬火淬水剂后的产品外观

表2 渗碳一次淬水剂高温回火后后表面组织、裂纹及表面硬度检验结果

改进后高回工艺表面组织/级工艺300～350℃ 250～300℃ 150～250℃ 80～150℃ 80℃～室温原高回工艺改进后高回工艺原高回工艺改进后高回工艺原高回工艺改进后高回工艺原高回工艺改进后高回工艺原高回工艺1～2，A合格裂纹无无无无无无无无油沟处有油沟处有表面硬度HRC 32～36 32～36 32～36 32～36 32～36 32～36 32～36 32～36 32～36 32～36表面组织按JB/T8881—2011评定；表面硬度与渗碳一次淬油高温回火后相当。A'代表残留奥氏体4，A'多4，A'多2～3，A'多 2～3，A多 1～2，A合格1～2，A合格1～2，A合格1～2，A合格1～2，A合格

图8 渗碳一次淬火淬水剂高温回火后表面显微组织（500×）

产品出水剂温度过高在后续的空冷过程中冷速过慢会造成次表层出现针状组织；产品出水剂温度过低、在低温区冷速过快会使淬火应力过大，当淬火应力大于材料的强度时便产生淬火裂纹。由于水剂淬火高温区的整体冷却速度大于油的冷却速度，淬火后残留奥氏体量增多，所以按以前油淬火后的高温回火工艺，残留奥氏体会超标，提高高温回火温度后回火组织合格。