不同渗碳淬火模式下的18CrNiMo7-6钢晶粒度研究

朱百智，李小末，张伟

南京局精传动设备制造集团有限公司 江苏南京 211100

1 序言

对齿轮渗碳钢而言，晶粒度是一个不可或缺的指标，细化晶粒有助于提高疲劳强度和基体力学性能。根据ISO 6336-5等国际主流标准，渗碳淬火晶粒度应不小于5级，否则视同为不可接受的粗晶。围绕着齿轮锻件的晶粒度改善，国内外材料和热处理研究人员长期开展了大量的工作，主要方式包括Al、N和Nb微合金化，以及锻后热处理工艺优化等[1-3]。

18CrNiMo7-6钢具有淬透性高、综合力学性能好等优势，在硬齿面齿轮领域得到了广泛使用。以降本增效为目的，提高渗碳温度（高于930℃）、以及采用渗碳直接淬火代替再加热淬火工艺模式，成为越来越常见的工艺手段[4-6]，但对渗碳（特别是深层渗碳）淬火后实际晶粒度的系统性研究，国内外文献报道并不多见。

本文结合多年的炉前工艺实践，将分别对18CrNiMo7-6钢在渗碳直接淬火和再加热淬火两种工艺模式下的晶粒度进行研究，以寻找实际生产过程中保持细晶的边界工艺条件。

2 研究内容

2.1 研究对象

本文以18CrNiMo7-6钢齿轮本体试样为研究对象，其化学成分见表1（其特征尺寸：直径为模数的6倍，长度为直径的2倍）。

2.2 试验流程

18CrNiMo7-6钢齿轮本体试样晶粒度试验流程如下：冶炼→锻造→锻后热处理→本体取样→锻件晶粒度测试→随炉渗碳淬火→低温回火→实际晶粒度测试。

2.3 晶粒度测试方法

本体试样晶粒度测试参考ISO 643：2012和GB/T 6394—2017标准，说明如下：

1）齿轮锻件简要热处理过程：950℃正火+660℃去氢高温回火。

2）锻件晶粒度试样简要热处理过程：950℃（8h）淬火+低温回火。

3）渗碳淬火工艺：见本文第3节。

4）测试方法：锻件试样及渗碳淬火试样均采用苦味酸液侵蚀，选择最差视场评定晶粒度级别。

表1 18CrNiMo7-6钢化学成分（质量分数） （%）

3 工艺方案

为研究18CrNiMo7-6钢渗碳直接淬火和再加热淬火两种模式下的晶粒粗化趋势，本文设计了12组工艺方案。其中渗碳直接淬火模式包括了5组不同渗碳温度-时间组合，渗碳再加热淬火包括7组不同渗碳温度-时间组合。

3.1 渗碳直接淬火方案

渗碳后不出炉，直接降到奥氏体化温度淬火，其工艺过程包括渗碳、淬火和低温回火三个过程。5组试验详细工艺参数见表2，组间的渗碳温度和时间参数组合不同，淬火和低温回火温度工艺参数一致，保温时间取决于实物尺寸。

3.2 渗碳再加热淬火方案

该模式与渗碳直接淬火过程的差异在于：渗碳后出炉、高温回火、重新加热到奥氏体化温度淬火。7组试验设计原则与渗碳直接淬火一致，详细工艺参数见表3。

表2 5组 18CrNiMo7-6钢渗碳直接淬火工艺方案

表3 7组18CrNiMo7-6钢渗碳再加热淬火工艺方案

4 结果与分析

4.1 工艺结果

5组18CrNiMo7-6钢渗碳直接淬火工艺结果见表4，从中可以看出，工艺方案C1-5（940℃保温70h），晶粒粗化严重，达到了2.5级，不可接受，粗晶形貌如图1所示。有效硬化层深、晶粒度随工艺方案变化关系如图2所示。

7组18CrNiMo7-6钢渗碳再加热淬火工艺结果见表5，从中可以看出，工艺方案C2-7（940℃保温150h），晶粒粗化程度达到了4.5级，处于可接受的边缘，晶粒形貌如图3所示。有效硬化层深、晶粒度随渗碳温度/时间变化关系如图4所示。

表4 5组渗碳直接淬火工艺结果

4.2 分析讨论

（1）两种工艺模式下的晶粒变化趋势 综合表4和表5可以看出：

图1 渗碳直接淬火粗晶（940℃保温70h，2.5级）

图2 渗碳直接淬火层深/晶粒度-温度/时间曲线

表5 7组渗碳再加热淬火工艺结果

图3 渗碳再热淬火晶粒（940℃保温150h，4.5级）

图4 渗碳再热淬火层深/晶粒度-温度/时间曲线

1）在渗碳直接淬火模式下，930℃保温不超过25h、940℃保温不超过45h，晶粒度均不低于5级，940℃保温达到70h后，晶粒粗化严重，达到了2.5级。

2）在渗碳再加热淬火模式下，920℃保温不超过200h、930℃保温不超过200h、935℃保温不超过140h、940℃保温不超过60h，晶粒度均不低于5级，940℃保温达到150h后，晶粒度粗化至4.5级。

（2）两种模式下的晶粒度对比 综合图2和图4可以看出：

1）930℃渗碳，直接淬火C1-2（保温15h）晶粒度为6.5级，略低于保温时间稍长的再加热淬火C2-2（保温20h）的晶粒度7级。

2）940℃渗碳，再加热淬火C2-7（保温150h），时间是直接淬火C1-5（保温70h）的2倍多，而C2-7晶粒度为4.5级，尽管处于可接受的边缘，但明显好于C1-5的晶粒度2.5级。

这说明，从细化晶粒角度，再加热模式优于直接淬火模式。笔者认为：这是由于渗碳后出炉及后续高温回火，类似增加了一道正火，具有细化晶粒的效果。

（3）渗碳淬火晶粒度变化规律 综合表4、表5、图2和图4，无论是直接淬火模式，还是再加热模式，渗碳淬火实际晶粒度变化与原材料晶粒度及渗碳温度-时间组合均无显著相关。

笔者认为，可能的原因包括：

1）锻件原材料与后续渗碳淬火工艺状态差异大。以深层渗碳为例，锻件本体试样奥氏体化保温时间为8h，远低于后续渗碳奥氏体化保温时间（≥60h），因此，用现行的通用标准（奥氏体保温时间5~8h）定义的原材料晶粒度，来预测深层渗碳（保温时间60~200h）淬火后的晶粒度，有明显的局限性。

2）不同渗碳淬火参数组合下，温度、时间以及AlN颗粒等影响因素对晶粒的交互作用较为复杂。一方面，奥氏体化温度的提高和保温时间的延长，均会导致晶粒度呈粗化趋势。另一方面，对Al脱氧钢，在稍高于渗碳温度（约950℃）下，形成大量弥散分布的细颗粒状AlN，会钉扎晶界运动，阻碍晶粒长大，然而在稍高于淬火温度（约850℃）下，AlN颗粒会溶解、偏聚长大，失去对晶界的钉扎作用，进而失去阻碍晶粒长大的作用[1]。目前，在国内外材料和热处理领域，从冶炼、锻造到热处理全流程，尚未建立基于弥散分布的颗粒状AlN的稳定工艺模型。这些工作，超过了本文的研究范畴，不做详细讨论。

5 结束语

综上所述，18CrNiMo7-6钢渗碳淬火奥氏体晶粒度粗化趋势概述如下：

1）在渗碳直接淬火模式下，940℃保温达到70h后，晶粒粗化至2.5级。

2）在渗碳再加热淬火模式下，940℃保温达到150h后，晶粒粗化至4.5级。

3）从细化晶粒角度，再加热模式优于直接淬火模式。

4）用现行的通用标准定义的原材料晶粒度，来预测深层渗碳淬火后的晶粒度，有明显的局限性。