20MnCr5钢齿轮表面渗碳层的显微组织

王 强,赵四新,高加强

(宝山钢铁股份有限公司中央研究院,上海 201999)

0 引言

齿轮是汽车变速器、减速器和差速器中重要的传动机械零部件。随着新能源汽车的盛行,其加速快、瞬时扭矩大的特点对齿轮的抗疲劳能力和耐磨性能提出了越来越高的要求。多年以来,汽车用齿轮对于钢种的选择并没有大的变化,目前主要有Cr系、Cr-Mn系、Cr-Mo系、Cr-Ni系、Cr-Ni-Mo系和Cr-Mn-Ti系[1]。

Cr-Mn系齿轮钢是20世纪50年代从苏联引进的汽车用齿轮钢,目前仍是国内制造汽车齿轮的主要材料。渗碳是一种广泛应用于提高齿轮表面强度及耐磨性能的化学热处理方法[2-5]。李阳等[6]研究了20MnCr5齿轮钢在常规渗碳工艺和弥散渗碳工艺下渗碳层中不同类型碳化物的析出机理。高金柱等[7]研究了不同渗碳时间下3种齿轮钢表面渗碳层的碳含量的变化,发现合金系数越大,表面碳含量越高。MIAO 等[8]通过对比不同渗碳工艺下20MnCrS5钢的渗碳层、次表层和心部试样的疲劳性能,确定了最佳渗碳工艺,认为在晶粒细化、残余压应力和少量残余奥氏体的共同影响下,疲劳寿命和渗碳层硬度得到了同步提高。高品质车用齿轮钢的表层组织影响服役性能,目前的研究多集中在不同钢种渗碳后的组织和性能差异上。渗碳工艺对齿轮渗碳层组织的类型影响不大,但对不同深度的组织形貌的影响较大,而目前相关的研究仍然有所欠缺。

为此,作者以Cr-Mn系齿轮钢中的20MnCr5钢为研究对象,对其进行真空渗碳热处理,研究了渗碳层的组织和微观形貌,分析了钢中碳和合金元素的分布状态和偏析行为及其与性能的对应关系,拟为改善和控制齿轮钢渗碳淬火工艺提供理论指导。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验材料为20MnCr5钢,使用50 kg ZGI-0.05型真空感应炉冶炼制备,化学成分见表1。铸坯截面尺寸为140 mm×200 mm,将铸坯进行加热、锻造和轧制,得到直径为45 mm 的圆棒,开轧温度为1 100℃,终轧温度为990℃,空冷至室温。将热轧后的试验钢感应加热至1 150℃,经高速锻造、风冷、等温退火等工艺加工成齿轮,再进行常规真空气体渗碳淬火,渗碳温度为930℃,加热和均热时间均为50 min,渗碳时间为12 min,扩散时间为80 min,淬火时间为10 min,最后在180℃低温回火150 min。

表1 20MnCr5钢的化学成分Table 1 Chemical composition of 20MnCr5 steel

1.2 试验方法

垂直于齿轮的齿宽中部切割、镶样,对得到的横截面试样进行研磨、抛光并用体积分数4%的硝酸乙醇溶液腐蚀,采用Axioplan 2型光学显微镜观察显微组织。采用EVO MA25型扫描电子显微镜(SEM)观察渗碳层的微观形貌,用附带的能谱仪(EDS)分析析出物成分。利用JXA-8230型电子探针表征渗碳层的元素分布规律。将透射电镜薄片研磨、双喷减薄后,在JEM F200型透射电镜(TEM)上进一步观察渗碳层的显微组织特征和碳化物析出情况。采用FALCON 500型维氏硬度计测定渗碳齿轮从表层至基体的硬度,载荷为1.96 N,测试间隔为0.1 mm。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图1可见,渗碳后齿轮从表层到心部存在明显的组织分层。渗碳层可分为表层和次表层,其中表层的显微组织主要为针状马氏体与残余奥氏体,次表层中的碳含量较表层中少,因此马氏体针叶比表层中粗大,并且出现了板条马氏体。齿轮心部的显微组织为板条马氏体与残余奥氏体。由图2可见:随着距表面距离的增加,马氏体由针状向板条状转变,马氏体针叶略有长大;渗碳层表层中还观察到了短棒状析出物,EDS分析显示,该析出物为MnS。MnS会通过中断基体的连续性来提高齿轮钢的切削加工性能[9]。钢中马氏体的形态主要取决于奥氏体的碳含量[10],奥氏体的碳含量越高,马氏体转变开始温度Ms、马氏体转变终止温度Mf越低,形成的板条马氏体越少,针状马氏体越多。

图1 渗碳20MnCr5钢齿轮横截面显微组织Fig.1 Microstructures of carburized 20MnCr5 steel gear cross section：(a)morphology at low magnification；(b)amplification of surface layer；(c)amplification of sub-surface layer and(d)amplification of core

图2 20MnCr5钢齿轮表面渗碳层和心部的SEM 形貌Fig.2 SEM morphology of carburized layer on surface(a-b)and core(c)of 20MnCr5 steel gear：(a)surface layer and(b)sub-surface layer

2.2 元素偏析行为

渗碳层中马氏体形态的变化与溶入奥氏体中的合金元素有密切关系[11],比如可以降低Ms的铬、钼、锰和镍元素都会增加针状马氏体的形成倾向。由图3可见:20MnCr5钢齿轮的渗碳层表层发生了内氧化(箭头所示位置);在距表面约10μm 的深度范围内有较多的球状碳化物析出,其尺寸很小,呈弥散分布;随着距表面距离的增加,析出物的尺寸增大,形态也有所改变。这种碳化物粒子的存在可以提高钢的接触疲劳抗力[11-13]和渗碳速率[14]。球状碳化物富含锰元素,为富锰碳化物,数量相对较少,大多数沿晶界析出;块状或长条状碳化物富含铬元素,同时还含有一定的锰元素,为富铬碳化物,数量相对较多,大多数沿原奥氏体晶界析出。此外,在块状和长条状碳化物上还可观察到少量球状碳化物,这说明富锰碳化物会在富铬碳化物上析出。由于齿轮表面接触的碳势最高,渗碳层表层碳含量明显较高;随距表面距离增加,碳的扩散速率降低,组织中碳含量降低。硅元素在晶界内氧化部位出现明显富集,硫元素在整个区域分布都较均匀,说明硫元素未发生偏析。

图3 20MnCr5钢齿轮渗碳层截面SEM 形貌及元素分布Fig.3 SEM morphology(a)and element distribution(b-f)of carburized layer of 20MnCr5 steel gear：(b)C；(c)Si；(d)S；(e)Mn and(f)Cr

2.3 微观形貌

由图4可见:渗碳层表层显微组织主要为高碳针状马氏体,马氏体中存在较多的位错缠结,说明组织中存在一定的残余应力;渗碳层表层还存在弥散分布的细小碳化物;齿轮心部在回火保温作用下,马氏体的板条特征和位错缠结现象减弱,固溶碳原子获得长程扩散的活力与迁移扩散能力,从基体中析出并偏聚于细密交集分布的孪晶界等微观缺陷位置,形成由相对低碳的α′相与细密弥散分布的碳化物组成的回火马氏体;与渗碳层表层相比,齿轮心部的碳化物析出相有粗化的趋势,尺寸在15～20 nm。

图4 20MnCr5钢齿轮渗碳层表层及心部的TEM 形貌Fig .4 TEM morphology of surface layer of carburized layer(a-b)and core(c-d)of 20MnCr5 steel gear

针状马氏体的亚结构为孪晶,由于固溶碳含量较高,其晶格畸变大,淬火应力大;板条马氏体的亚结构主要由高密度的位错组成,固溶碳含量相对较低,碳化物分布均匀。由于胞状位错亚结构的运动能缓和局部应力集中,因此位错马氏体的韧性优于孪晶马氏体。通过渗碳处理,齿轮表层可以获得高碳针状马氏体来保证高硬度和高强度,齿轮心部则保持低碳板条马氏体组织来保证高强韧性。

2.4 硬度分布

由图5 可见:齿轮渗碳层表面硬度最高,为860 HV,随着距表面距离的增加,硬度逐渐降低,有效渗碳层深度为0.9 mm;齿轮基体未受到渗碳影响,硬度约为460 HV。结合图2,渗碳齿轮从表层到心部的硬度变化规律与组织形貌变化相对应。高碳针状马氏体组织以及马氏体上弥散析出的碳化物是试样表面高硬度的主要原因。随距表面距离的增加,渗碳层组织由硬度较高的高碳针状马氏体转变为硬度较低的低碳板条马氏体,因此硬度下降。

图5 渗碳20MnCr5钢齿轮截面硬度分布曲线Fig.5 Hardness distribution curve of carburized 20MnCr5 steel gear section

由于高含量固溶碳等合金元素会明显降低渗碳表层的Ms,在有限的过冷度与相变驱动力下,淬火冷却过程中表层的马氏体相变相对较晚且不完全,残留了相对较多的残余奥氏体,因此渗碳淬火后的齿轮表层存在明显的软化现象[15]。为此,在齿轮渗碳淬火后增加了低温回火处理,此时马氏体基体中过饱和碳原子再分配迁移,在组织中形成了碳化物析出相,同时残余奥氏体进一步分解和减少,导致渗碳层表层的软化不明显,在图5中表现为曲线第一个点的硬度与第二个点的硬度差值仅为0.21 HV。

3 结论

(1)20MnCr5钢齿轮经渗碳热处理后,渗碳层表层由高碳针状马氏体和残余奥氏体组成,随着距表面距离增大,针状马氏体向低碳板条马氏体转变,未受渗碳影响的基体组织为板条马氏体和残余奥氏体。渗碳层表面的硬度最高,为860 HV,随着距表面距离的增加,硬度逐渐降低,有效渗碳深度为0.9 mm。

(2)渗碳层中主要有2种类型碳化物,一种为富铬碳化物,多呈条状沿原奥氏体晶界分布,另一种为富锰碳化物,多呈球状在晶界析出。渗碳层表层的碳含量明显较高,硅元素在晶界内氧化部位出现偏析。

(3)渗碳齿轮表层存在的针状马氏体和弥散分布的细小碳化物保证了表层的高硬度;而齿轮心部的板条马氏体保证了强度和韧性,这种组织分布特征保证齿轮具有好的综合性能。