竇勝濤

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 江陰214429）

當(dāng)今，制造行業(yè)對(duì)制造精度、效率和材料利用率的要求越來(lái)越高，并且對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求也在不斷提高。冷加工可以提高原材料的成材率，減少零部件制造流程，降低零部件能耗。這使得該技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣［1－2］，因此冷加工用鋼的使用將是今后的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

1 球化退火原理

高合金齒輪鋼18CrNiMo7－6的熱軋?jiān)冀M織以貝氏體組織為主，并存在少量馬氏體和殘余奧氏體組織，圖1即為其1000倍熱軋材組織照片。這種組織硬而脆，不適合冷加工，經(jīng)球化退火得到的是球狀珠光體組織。其中的滲碳體呈球狀顆粒，彌散分布在鐵素體基體上，和片狀珠光體、貝氏體、馬氏體組織相比，其硬度很低，塑性很好，故冷加工用鋼在進(jìn)行冷加工變形之前都要進(jìn)行球化退火［3］處理。

滲碳體球化是一種溶解和沉積過(guò)程，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是在一定溫度下滲碳體中的碳原子與周?chē)F素體的碳原子處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)［4］。這樣平衡的碳濃度與滲碳體的曲率半徑有關(guān)，滲碳體尖角部位的碳原子較易遷走，所以尖角周?chē)蔫F素體比靠近滲碳體平直部位的鐵素體具有更高的碳濃度，這必將引起鐵素體內(nèi)碳的擴(kuò)散而打破動(dòng)態(tài)平衡。為了保持這種動(dòng)態(tài)平衡，必然導(dǎo)致滲碳體尖角繼續(xù)溶解并在其平直部位沉積析出，如此不斷進(jìn)行，最后形成曲率半徑相近的球狀碳化物。如圖2a）－c）所示，形象地反映了滲碳體球化的過(guò)程［5］。

2 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)選用的材料是江陰興澄特種鋼鐵有限公司生產(chǎn)的18CrNiMo7－6熱軋棒材，生產(chǎn)工藝流程為：轉(zhuǎn)爐（BOF）→精煉爐（LF）→真空脫氣（RH）→連鑄（CCM）→連軋（CR），鋼材規(guī)格為 Φ40mm，其化學(xué)成分符合DIN EN 10084的規(guī)定，具體見(jiàn)表1。

圖3為該試驗(yàn)鋼種的CCT曲線，其AC3約為831℃，AC1約為742℃，據(jù)此設(shè)計(jì)了4種工藝方案的試驗(yàn)，試驗(yàn)1－4對(duì)應(yīng)圖4（a）－（d）。截取 Φ40 mm×100mm長(zhǎng)的18CrNiMo7－6熱軋鋼棒，在箱式電阻爐中按設(shè)計(jì)的4種工藝方案分別進(jìn)行熱處理試驗(yàn)。

圖1 18CrNiMo7－6鋼熱軋組織Fig.1 Microstructure of 18CrNiMo7－6 steel after hot－rolled

圖2 滲碳體球化發(fā)生示意圖Fig.2 Schematic diagram spheroidizing process of cementite

圖3 18CrNiMo7－6鋼CCT曲線Fig.3 CCT curve of 18CrNiMo7－6

表1 18CrNiMo7－6化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemistry of 18CrNiMo7－6

圖4 試驗(yàn)1（a），試驗(yàn)2（b），試驗(yàn)3（c），試驗(yàn)4（d）Fig.4 Test1（a），Test2（b），Test3（c），Test4（d）

按照?qǐng)D5所示，試樣從中間切斷，通過(guò)全自動(dòng)磨拋機(jī)制作金相試樣，采用4%的硝酸酒精腐蝕后用AXIO IMAGER M2M型金相顯微鏡在放大1000倍下觀察組織，評(píng)定各個(gè)工藝試驗(yàn)的球化率，用JSM－IT300型掃描電鏡和FM－300型顯微硬度計(jì)分析異常組織，采用BH3000型布氏硬度計(jì)測(cè)定試樣的硬度。

圖5 制樣示意圖Fig.5 Sample preparation schematic diagram

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)1的工藝方案是按照傳統(tǒng)的方法來(lái)制定的，第一段為在AC1以上20℃左右設(shè)定的溫度760℃保溫4個(gè)小時(shí)，目的是為了部分奧氏體化，隨后以20℃／h的速度降至AC1以下20℃左右設(shè)定的溫度720℃保溫5h，隨后爐冷。按照傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，低合金鋼采用這個(gè)方法可以起到良好的球化退火的目的。圖6（a）為該試驗(yàn)方法的顯微組織金相圖片，其主要為鐵素體、桿狀和塊狀組織，在放大1000倍時(shí)依然看不清其組織的真實(shí)面貌，繼續(xù)在掃描電鏡5000倍下觀察（見(jiàn)圖7），可以發(fā)現(xiàn)該桿狀組織以馬氏體和殘余奧氏體為主，經(jīng)顯微硬度測(cè)試，該桿狀組織的硬度高達(dá)485HV。

試驗(yàn)2的工藝方案與試驗(yàn)1有所不同，首先是將760℃的保溫時(shí)間縮短至1.5h，隨后以10℃／h的速度降至650℃，最后隨爐冷卻。該方法由760℃緩慢降溫至650℃花費(fèi)了11個(gè)小時(shí)，目的是使球化更充分。圖6（b）為該試驗(yàn)方法的顯微組織金相圖片，其主要組織為鐵素體、片狀和點(diǎn)狀珠光體，此外還有少量桿狀和塊狀組織，經(jīng)分析該桿狀和塊狀組織與試驗(yàn)1的如出一轍，實(shí)際是馬氏體和殘余奧氏體，具有很高的硬度，結(jié)果與設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案的期望相悖。

試驗(yàn)3的工藝方案為等溫球化退火，在720℃保溫12h后隨爐冷卻，該方法為滲碳體自發(fā)球化過(guò)程，受到碳濃度的波動(dòng)，滲碳體聚集成長(zhǎng)為球狀。圖6（c）為該試驗(yàn)方法的顯微組織金相圖片，主要為鐵素體、球狀珠光體，此外還有個(gè)別零散的塊狀組織，該方法的球化率高達(dá)90%，但塊狀組織依然沒(méi)能消除，這種硬度很高的組織會(huì)引起冷鍛件開(kāi)裂。

試驗(yàn)4為在試驗(yàn)3的基礎(chǔ)上改良的方法，先在500℃保溫4h，再升溫至720℃保溫12h后隨爐冷卻，總處理時(shí)間不超過(guò)20h。圖6（d）為該試驗(yàn)方法的顯微組織金相圖片，為鐵素體＋球狀珠光體，球化率高達(dá)95%，成功消除了桿狀和塊狀組織，其硬度在163～169HBW之間，非常適合冷加工。

試驗(yàn)1－3是傳統(tǒng)的球化退火熱處理方法，均有不同程度的馬氏體和殘余奧氏體存在，其中試驗(yàn)1和試驗(yàn)2都在760℃保溫了一定時(shí)間，會(huì)發(fā)生部分奧氏體化，這種奧氏體非常穩(wěn)定，在珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)均沒(méi)有發(fā)生轉(zhuǎn)變。這種奧氏體稱之為過(guò)冷奧氏體，直至200℃左右，其迅速發(fā)生轉(zhuǎn)變，一部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，一部分仍然為殘余奧氏體。之所以試驗(yàn)1比試驗(yàn)2有更多的這種組織存在，是因?yàn)樵囼?yàn)1在760℃保溫的時(shí)間更長(zhǎng)，奧氏體化更充分。試驗(yàn)3沒(méi)有奧氏體化的階段，但也有少量的塊狀組織，這是因?yàn)?8CrNiMo7－6鋼的熱軋材組織有部分的殘余奧氏體，該殘余奧氏體在720℃的條件下沒(méi)有發(fā)生分解。試驗(yàn)4消除了該塊狀組織，因?yàn)樵?20℃球化溫度之前增加了4個(gè)小時(shí)的500℃保溫時(shí)間。從圖3CCT曲線上看，該溫度是貝氏體轉(zhuǎn)化溫度，在500℃保溫4h的條件下，殘余奧氏體發(fā)生了貝氏體轉(zhuǎn)變，這為后續(xù)的等溫球化退火創(chuàng)造了條件，最終該工藝方案實(shí)現(xiàn)了高球化率，并消除了殘余奧氏體，且硬度較低，均勻性也很好。

圖6 1000倍顯微組織，試驗(yàn)1組織（a），試驗(yàn)2組織（b），試驗(yàn)3組織（c），試驗(yàn)4組織（d）Fig.6 Microstructure at 1000X，Structure of test1（a），Structure of test2（b），Structure of test3（c），Structure of test4（d）

圖7 掃描電鏡5000倍照片F(xiàn)ig.7 Scanning electron micrograph at 5000X

4 結(jié)論

（1）對(duì)低碳高合金齒輪鋼18CrNiMo7－6，采用傳統(tǒng)的球化退火方法均不能在獲得高球化率的同時(shí)消除殘余奧氏體。

（2）因18CrNiMo7－6鋼原始組織存在殘余奧氏體，通過(guò)在貝氏體轉(zhuǎn)化區(qū)間溫度保溫4h，可以消除殘余奧氏體，再通過(guò)等溫球化退火，可以獲得良好的球化率和硬度，完全能滿足冷加工的需要。