合金结构钢在RX气为保护气氛中加热的吸氢研究

于国超，贾 磊，邬俊祥，熊 伟，贾冬生，李建国，王 成，李晓艳，刘 哲

(1.内蒙古一机集团瑞特精密工模具有限公司，内蒙古 包头 014030；2.陆军装备部驻包头地区第一军事代表室，内蒙古 包头 014030；3.内蒙古一机集团股份有限公司，内蒙古 包头 014030)

为解决以20Cr2Ni4A和38CrSi为代表的合金结构钢在热处理过程中氧化脱碳问题，内蒙古一机集团瑞特精密工模具有限公司新建一条可控气氛多用炉生产线，该生产线采用RX气为保护气氛，RX气成分如下：38.7%～40.4%的H2，38.8%～40.1%的N2和19.5%～20.4%的CO。由于这种成分含有较多氢，并在热处理时容易渗入钢中，且已知高强钢不宜在含氢保护气氛下进行保护加热的研究结论[1-3]，为验证本公司常用合金结构钢在RX气为保护气氛下淬火加热的吸氢情况和以RX气为载气、净化天然气为富化气的渗碳淬火工艺过程吸氢情况，本公司联合一机集团工艺研究所和北京钢铁研究总院做了相关工艺试验，以确保公司常用合金结构钢热处理后不会出现氢脆危险，同时为制造企业引用RX气作为保护气氛提供借鉴。

1 试验用料和试验方法

试验用料选用20Cr2Ni4A和38CrSi等2种合金结构钢，试棒规格为φ50 mm×100 mm，分别对20Cr2Ni4A和38CrSi这2种合金钢试棒热处理前(毛坯)、淬火和淬火加回火后的3种状态进行吸氢检测，并对20Cr2Ni4A试棒热处理前(毛坯)、渗碳、渗碳+高温回火、渗碳+高温回火+淬火、渗碳+高温回火+淬火+低温回火的5种状态进行吸氢检测，2种材料的3种热处理工艺过程见表1～表3。

表1 20Cr2Ni4A试棒热处理工艺过程

表2 38CrSi试棒热处理工艺过程

表3 20Cr2Ni4A试棒热处理工艺过程

检测时分别在试样边缘位置线切掏取并精磨加工测氢试样(φ5圆棒)，利用HTDS-002型试验机检测试样氢含量值，试验精度为0.01 ppm，在10-9真空度下，由室温加热至800 ℃，加热速率为100 ℃/h，到温后自然降温至室温，在加热过程中通过四级质谱检测氢的逸出速率，试验后称重试样，由设备自带计算软件得到试样中的氢含量及氢的逸出速率曲线。

2 检测结果与分析

2.1 材料20Cr2Ni4A淬火工艺吸氢检测

围绕材料20Cr2Ni4A的不同状态进行吸氢检测，检测结果见表4，淬火过程增加了材料的氢含量(0.05 ppm)，氢逸出速率曲线中(见图1)，淬火过程后在300～500 ℃温度范围内出现了小波峰(见图1b)，但是通过回火后，材料内部的氢含量降低，小波峰消失，淬火+高温回火后材料的氢含量为0.083 ppm，和毛坯氢含量基本相同。

a) 毛坯

表4 材料20Cr2Ni4A不同状态下的吸氢检测结果

2.2 材料38CrSi淬火工艺吸氢检测

围绕材料38CrSi的不同状态进行吸氢检测，检测结果见表5，淬火过程增加了材料的氢含量(0.08 ppm)，氢逸出速率曲线中(见图2)，淬火过程后在300～450 ℃温度范围内出现了小波峰(见图2b)，但是通过高温回火后，材料内部的氢含量降低，小波峰消失，淬火+高温回火后材料的氢含量为0.072 ppm，比毛坯氢含量低了0.002 ppm。

表5 材料38CrSi不同状态下的吸氢检测结果

a) 毛坯

2.3 材料20Cr2Ni4A渗碳淬火工艺吸氢检测

围绕材料20Cr2Ni4A的不同状态进行吸氢检测，检测结果见表6。渗碳、淬火过程增加了材料20Cr2Ni4A的氢含量，氢逸出速率曲线中(见图3)，渗碳和淬火过程发生后在300～500 ℃温度范围内出现了小波峰(见图3b和图3d)，高温回火后渗碳过程增加的氢全部释放掉，小波峰消失，降低了材料中的氢含量，此时氢含量低于毛坯的氢含量。通过图3d和图3e对比分析可知，低温回火对材料20Cr2Ni4A内部的氢含量影响不大，热处理后得到的氢含量比毛坯高0.042 ppm。

表6 材料20Cr2Ni4A不同状态下的吸氢检测结果

a) 锻造毛坯

2.4 20Cr2Ni4A材料的力学性能检测

为了验证RX气为保护气氛和无保护气氛下热处理后材料的力学性能差别，以材料20Cr2Ni4A为研究对象，分别在新旧设备进行淬火+回火处理，淬火的温度为910 ℃，回火温度为510 ℃，热处理后测试材料表面的硬度值和材料的力学性能，测试结果见表7。

表7 材料20Cr2Ni4A在新旧设备热处理后力学性能测试

由检测结果可知，新旧设备热处理后硬度值相同，均为285 HBW (d=3.6)，采用新设备热处理后材料的强度较旧设备热处理后材料的强度高，平均值高出55 MPa，延伸率和冲击韧性较旧设备处理后的材料有所降低，冲击功平均值仅降低2 J(注：旧线冲击功有个异常值为34 J，出现异常可能与试件加工缺陷、组织缺陷等因素有关，因此计算平均值和波动值时不含该异常值)，并且新设备热处理后材料的冲击性能分布较旧设备分布均匀，这可能和新设备炉膛内部温度均匀性好有关系。

3 结语

通过上述研究可以得出如下结论。

1)38CrSi钢、20Cr2Ni4A钢在以RX气为保护气氛下淬火加热时存在吸氢现象，但通过回火工序能够有效脱氢，基本维持毛坯含氢水平，不会导致氢脆现象。

2)20Cr2Ni4A钢以RX气为载气、净化天然气为富化气渗碳时存在吸氢现象，经高温回火后能够有效去除，经淬火后又有一部分氢渗入，这部分增氢无法通过低温回火去除，但考虑渗碳产品服役条件主要对耐磨性要求较高，经查阅资料可知材料吸氢对耐磨性影响不大。

3)通过对比RX气为保护气氛和无保护气氛下热处理后材料的力学性能差别，同等工艺条件下，新线热处理产品性能略优于旧线热处理产品。

4)RX气作为保护气氛可以对合金结构钢进行常规热处理，制造企业在选择热处理工艺方案时可适当参考。