譚硯，左永平

南京科潤工業(yè)介質(zhì)股份有限公司 江蘇南京 211100

1 序言

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)用于工程機械上液壓破碎器的液壓缸，要求經(jīng)過滲碳熱處理后具有高硬度、高耐磨性能特性，同時要求良好的塑性和韌性，即具有良好的綜合力學性能 。

在液壓缸初期生產(chǎn)過程中，通過正常工藝流程后，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題，對此，我們對工件進行了有針對性的研究。

2 液壓缸的熱處理工藝、技術(shù)要求及問題

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

圖1 某液壓缸實物

經(jīng)過熱處理滲碳淬火后，要求工件的滲碳層深為1.0～1.4m m，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20CrMo鋼的化學成分要求[1]見表1。

表1 20CrMo鋼化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

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

表2 熱處理工藝

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℃時碳在奧氏體中的飽和溶解度為1.0%，930℃時為1.25%[2]，滲碳溫度的準確性，直接影響到工件的淬火質(zhì)量。

經(jīng)過對設(shè)備的9點溫度檢測，溫度不存在偏差，爐溫正常，未發(fā)現(xiàn)明顯的溫度差異，因此排除溫度對工件表面硬度的影響。

（2）碳濃度的影響 在工藝執(zhí)行過程中，每個工藝編號條件下，都采用了隨爐試塊（25mm×25mm），對試塊硬度的檢測結(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結(jié)果見表3。

表3 工件硬度檢測結(jié)果 （HRC）

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

表4 工件滲層硬度梯度檢測結(jié)果

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

圖2 試塊滲層金相組織

通過對圖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，同時通過有效硬化層深度檢測，試塊在滲碳處理后出現(xiàn)了明顯的“抬頭”現(xiàn)象，說明在滲層存在較為明顯的氧化氣氛，導致表面硬度出現(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，對試塊進行退火，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。

通過對圖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，無法明顯有效地區(qū)分開滲層組織中的過共析層、共析層及過渡層。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，亞共析組織過渡區(qū)，直至原始組織[3]。

圖3 試塊退火后的金相組織

通過對圖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，說明爐內(nèi)滲碳氣氛碳勢不足，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，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

碳原子由表面向心部的擴散是滲碳得以進行并獲得一定深度滲層所必需的。擴散的驅(qū)動力是表面與心部間的碳濃度梯度[4]。要想達到較好的滲碳效果，既要求活性碳原子及時得到吸收，保證爐內(nèi)氣氛的均勻循環(huán)，同時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。

通過對原有工藝環(huán)節(jié)及試塊的分析，認為實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，無法實現(xiàn)有效地滲碳處理，得不到理想的滲層組織，也就無法達到足夠的硬度。

對此，采取針對性的整改措施，對設(shè)備進行整體檢修，重新更換碳勢監(jiān)控設(shè)備，爐體密封性驗證，再次對爐內(nèi)氣氛進行定碳處理，確保爐內(nèi)氣氛均勻準確。經(jīng)過重新評估爐體條件，重新設(shè)定滲碳淬火工藝參數(shù)后再進行生產(chǎn)。調(diào)整后的熱處理工藝見表5。

表5 調(diào)整后的熱處理工藝

通過調(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。

圖4 試塊滲層金相組織

從圖4可以看出，由于金相組織主要由細片狀回火馬氏體、細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)。

為更好地對比熱處理工藝調(diào)整前后的組織變化，對試塊進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)過調(diào)整工藝熱處理后的退火組織。

圖5 試塊經(jīng)退火后的金相組織

從圖5可以清晰地看到珠光體和網(wǎng)狀滲碳體，對比圖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)過退火后的平衡態(tài)組織，也就是說其碳含量（質(zhì)量分數(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，充分說明在原有工藝條件下的爐體氣氛存在較大問題，導致工件滲碳條件達不到設(shè)定要求，致使工件經(jīng)過工藝處理后達不到規(guī)定的技術(shù)要求。

5 結(jié)束語

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到設(shè)定要求。

2）通過提高碳勢，雖然在一定程度上可以起到增強滲碳效果的目的，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)實際情況靈活設(shè)定碳勢，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。