18Cr2Ni4WA合金钢高硬度热处理加工过程试验

摘要：18Cr2Ni4WA是特种钢，在渗碳淬火的过程中容易形成大量的残余奥氏体，从而使硬度难以超过HRC56。本文通过可控气氛多用炉渗碳、淬火、高温回火、二次淬火、冷冻、回火的实验过程，可使渗碳层4mm以上的。零件表面硬度达到HRC60以上。

关键词：18Cr2Ni4WA、可控气氛多用炉、渗碳淬火、残余奥氏体、表面硬度

引言

现代社会，汽车是一个国家工业的缩影。其高性能、高技术的要求，决定了汽车齿轮箱在设计制造技术方面要先于其它工业部门追踪世界先进技术水平。高精度硬齿面齿轮代表了车用、船用齿轮传动装置的发展方向。齿轮渗碳淬火后的性能除与心部性能有关外，还受渗碳层深度、渗碳层的碳含量与金相组织、内应力的分布等因素的影响

1.工艺分析

某专业热处理厂今年承接一批军用汽车齿轮热处理任务，该齿轮材料采用18Cr2Ni4WA 。18Cr2Ni4WA是一种优质合金钢，强度高，韧性及淬透性好。

18Cr2Ni4WA化学成份如下：

碳 C ：0.13～0.19

硅 Si：0.17～0.37

锰 Mn：0.30～0.60

硫 S ：≤0.25

磷 P ：≤0.25

铬 Cr：1.35～1.65

镍 Ni：4.00～4.50

铜 Cu： ≤0.025

钨 W ： 0.08～1.20

18Cr2Ni4WA的热处理参数：

正火温度为930℃-950℃，渗碳温度为900℃-950℃。第一次淬火温度860℃-880℃，第二次淬火温度780℃-810℃。

齿轮技术要求：

渗碳层深4.5-5.2mm，

表面硬度HRC61-64，

碳化物级别<5级，

残余奥氏体<3级。

针对该产品的材料特点及技术要求、用途，确定在丰东600kg可控气氛多用炉中加工。丰东600kg可控气氛多用炉的特点比较突出，它采用日本PVH表进行编程，并对时间、温度、碳势进行控制，温度的控制精度在±5℃，碳势的控制精度在±0.05%CP，炉内的气氛由丙烷提供，以甲醇为气氛载体。

为保证实验的可靠性，试验前做了定碳测试、九点测温校验等前期准备工作。

零件摆放：将被加工零件立放在底料盘上齿轮之间用隔圈分隔。

2.工艺制订

首轮试制加工工艺如下：

2.1.强渗：温度930℃，碳势1.25%CP，时间6480min；

2.2.扩散：温度930℃，碳势0.85%CP，时间720min；；

2.3.淬火：温度880℃，碳势0，85%CP，保温时间40min，用分级淬火油，淬火油温65℃，淬火时间40 min；

2.4.高温回火：620℃保温300 min，再升至650℃，保温480 min，冷至550℃出炉；

2.5.二次淬火：温度800℃，碳势0，85%CP，保温时间90min，用分级淬火油，淬火油温65℃，淬火时间40 min；

2.6.回火：温度150℃， 时间210m

3.样品检验

按以上工艺加工后，用HV-1000A显微硬度计检查有效硬化层深达到4.9mm，用XJP-6A金相显微镜检查随炉试样，碳化物级别为3级，但残余奥氏体级别达到8级，用HLN200型里氏硬度计检查表面硬度为52-56HRC。

首轮试验结果表明，零件变形效果十分理想，渗碳层深及碳化物级别合格，但零件的表面硬度、残余奥氏体级别不能达到用户要求。

4.改进工艺

经过分析，查找相关技术资料，残余奥氏体级别严重超标，未能有效转换为马氏体，是影响零件表面硬度的主要原因。如何降低残余奥氏体含量以提高零件表面硬度，是下一步的工作重点。

对于18Cr2Ni4WA这类易产生残余奥氏体组织的材料而言，消除残余奥氏体组织的最好办法就是在回火之前对零件进行冷处理。

经与用户交流沟通，在可能增加产品变形情况下，对该炉产品进行进一步的试验。

因为该炉产品经过回火，内部组织已经稳定，那么需要重新制定淬火及淬火以后的工艺。

重新制定的工艺如下：

4.1.高温回火：620℃保温300 min，再升至650℃保温480 min，冷至550℃出炉；

4.2.再次淬火：温度800℃，碳势0，85%CP，保温时间90min，用分级淬火油，淬火油温65℃，淬火时间40 min；

4.3.冷冻处理：温度-70℃，冷冻时间60 min；

4.4.硬度检查：用HLN200型里氏硬度计检查表面硬度，

4.5.回火：根据根据实测硬度值确定回火温度。

再次淬火后，冷至室温检查零件表面硬度仍然只有HRC52-56，于是将零件及随炉试样放入在FDR-W/0.64冷冻机中，将温度降至-70℃，冷冻60 min出炉。

零件恢复常温后，用HLN200型里氏硬度计检查表面硬度为63.4-67.6HRC.

根据以上结果，将回火温度定为210℃，回火3.5h，出炉冷却。

5.重新检验

最终检查结果为：用HV-1000A显微硬度计检查有效硬化层深达到4.9mm，用XJP-6A金相显微镜检查随炉试样，碳化物级别为2.5级，但残余奥氏体级别降到2级，用HLN200型里氏硬度计检查表面硬度为61-62.8HRC。

批量生产过程按修改后的工艺生产质量稳定，用户十分满意。

6.结束语

实践证明，采用可控气氛多用炉渗碳、淬火、高温回火、二次淬火、冷冻、回火的工艺过程，可使渗碳层4mm以上的零件表面硬度达到HRC60以上，零件的内部组织稳定达到技术要求，零件的变形也能控制在合理的范围内，是可以用于批量生产的成熟热处理工艺。

参考文献：

[1]谢绍志《热处理质量控制与检验务实全书》、安徽音响出版社、1986；

[2]汽车渗碳齿轮金相检验图片JB1675-75。

作者简介：

郝勇强（1968--），男 陕西大荔人，本科，机械工程专业，研究方向：机械设计与制造。