摘要: 对新型渗碳钢 17Cr2Ni2MoVNb 钢进行了气体渗碳试验及之后的淬火试验。结果表明，同 20Cr2Ni4A 钢相比，17Cr2Ni2MoVNb 钢吸碳能力较强，易形成网状碳化物，需适当降低强渗或扩散期碳势，1. 2% 强渗期碳势 + 0. 80% ～ 0. 85% 扩散期碳势组合更有利于实际生产。渗碳后进行 770 ～ 790 ℃淬火 + 180 ℃回火，渗碳面硬度( ≥60 HRC) 和基体( 非渗碳面) 硬度( 40 HRC 左右) 等均满足图样技术要求。
关键词: 17Cr2Ni2MoVNb 钢; 渗碳; 网状碳化物; 碳势; 淬火
20Cr2Ni4A 钢是一种典型的重载齿轮渗碳钢，广泛应用于军用车辆传动装置[1]。由于 20Cr2Ni4A 钢淬透性高且晶粒较大，所制造的齿轮齿圈等往往热处理变形严重、疲劳寿命波动范围大[2-4]。针对上述问题，北京钢铁研究总院和宝钢特钢有限公司等单位联合研制了 17Cr2Ni2MoVNb 齿轮渗碳钢[5]。
由于 V 和 Nb 的加入及微合金化手段的应用，使 17Cr2Ni2MoVNb 钢的晶粒得到超细化[6]，晶粒度较传统方法冶炼的 20Cr2Ni4A 钢细 1 ～ 2 个等级。北京钢铁研究总院针对 17Cr2Ni2MoVNb 钢渗碳试样进行了疲劳性能研究，其旋转弯曲疲劳和点接触疲劳等较 20Cr2Ni4A 钢均有一定幅度的提升，对于大功率综合传动装置减重意义重大[7]。由于 17Cr2Ni2MoVNb 钢为新材料，其渗碳淬火工艺暂无标准或手册可借鉴，因此需对该材料的渗碳淬火工艺进行研究。本 文 以 20Cr2Ni4A 钢渗碳淬火工艺为基础，通过试验，摸索出适用于我公司生产的 17Cr2Ni2MoVNb 钢的渗碳淬火工艺。
1 试验材料及方法
试验所用 17Cr2Ni2MoVNb 钢的化学成分见表 1，试样经锻造处理为 45 mm × 500 mm 棒材，锻后进行正火，工艺为 930 ℃ × 60 min，分散空冷，正火后检测硬度在 35 HRC 左右，不便于粗加工，因此进行高温回火处理，工艺为 650 ℃ × 120 min，空冷。试样预处理完后机加工成 18 mm × 18 mm × 35 mm 的渗碳试块和40 mm × 50 mm 的淬火试块，分别进行渗碳试验和淬火试验。
渗碳和淬火设备为 TQF-8-ERM 可控气氛多用炉，回火设备为 D-8-E 回火炉，热处理加热设备定期检测，符合 GB /T 9452—2012《热处理炉有效加热区测定方法》标准Ⅱ类炉( ≤ ± 5 ℃ ) 要求; 淬火油为 MT355 分级淬火油，淬火前油温恒定为( 60 ± 1) ℃ ; 渗碳气体为丙烷。
2 试验结果及讨论
2. 1 渗碳试验
参考 20Cr2Ni4A 钢渗碳工艺，将 17Cr2Ni2MoVNb 钢试样随 20Cr2Ni4A 钢同炉进行渗碳 + 高温回火，渗碳主要工艺参数为: 渗碳温度为 930 ℃，强渗期碳势为 1. 25% ，扩散期碳势为 1. 0% ，渗碳层深为 1. 2 mm。回火后检测试样的显微组织，如图 1 所示。从图 1 可知，17Cr2Ni2MoVNb 钢渗碳层有严重的网状碳化物，按 GB /T 25744—2010《钢件渗碳淬火回火金相检验》评级为 6 级，为不合格品( 1 ～ 3 级为合格) ，20Cr2Ni4A 钢显微组织无异常，网状碳化物级别为 1 级。
根据 同 行 的 研 究 成 果 及渗碳原理可知， 20Cr2Ni4A 钢抗网状碳化物的性能优于 17Cr2Ni2Mo 钢[8-9]，在碳势较高的情况下，17Cr2Ni2Mo 钢容易形成网状碳化物[10]，同炉试验情况说明 17Cr2Ni2MoVNb 钢继承了 17Cr2Ni2Mo 钢抗网状碳化物性能较差的特性。为进一步验证上述理论，将渗层逐层打磨并用直读光谱仪检测表层含碳量，其结果见图 2。从检测结果可知，17Cr2Ni2MoVNb 钢表层的含碳量明显高于 20Cr2Ni4A 钢，过高的表层碳浓度导致网状碳化物形成。
为避免 17Cr2Ni2MoVNb 钢渗碳后形成网状碳化物，本文设计了如表 2 所示的两种优化方案: ①渗碳温度不变，扩散期碳势不变，降低强渗期碳势; ②渗碳温度不变，强渗期碳势不变，降低扩散期碳势。其中碳势和层深均为程序设定值。
参照方案 I 进行渗碳后，对渗层进行显微组织检测，如图 3 所示。从图 3 显微组织可知，强渗期碳势为 1. 20% 和 1. 15% 时，试样存在网状碳化物，级别较原随炉试样有所降低，强渗期碳势为 1. 10% 和 1. 05% 时，未见明显网状碳化物。对于强渗期碳势为 1. 10% 和 1. 05% 的试样，在打磨 0. 1 mm 后进行表层碳浓度检测，其碳浓度在 1. 1% 左右; 经 790 ℃ × 60 min 淬火 + 180 ℃ × 240 min 低温回火处理后进行渗碳面硬度检测，其硬度≥60 HRC，能够满足技术要求。
参照方案 II 进行渗碳后，对渗层进行显微组织检测，结 果 如 图 4 所 示。由 图 4 可 知，扩 散 期 碳 势 为 0. 95% 和 0. 90% 的试样存在网状碳化物，级别较原随炉试样有所降低，扩散期碳势 < 0. 90% 的试样未见明显网状碳化物。对于扩散期碳势 < 0. 90% 的试样，在打磨 0. 1 mm 后进行表层碳浓度检测，0. 85% 试样和 0. 80% 试样的碳浓度在1. 0%左右，0. 75%试样和 0. 70% 试样的碳浓度在 0. 9% 左右; 经 790 ℃ × 60 min 淬火 + 180 ℃ × 240 min 低温回火处理后进行渗碳面硬度检测，0. 85% 试样和 0. 80% 试样的硬度≥60 HRC，能够满足技术要求，但 0. 75% 试样和 0. 70% 试样为55 ～ 58 HRC，稍低于技术要求。
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从方案Ⅰ和方案Ⅱ试验结果可知，在现有工艺的基础上，1. 05% ～ 1. 10% 强渗期碳势 + 1. 0% 扩散期碳势组合和 1. 2% 强渗期碳势 + 0. 80% ～ 0. 85% 扩散期碳势组合均适宜 17Cr2Ni2MoVNb 钢渗碳，考虑强渗期碳势降低会导致渗碳总时间加长，因此最终选择了 1. 2% 强渗期碳势 + 0. 80% ～ 0. 85% 扩散期碳势组合。
2. 2 淬火试验
我公司生产的 17Cr2Ni2MoVNb 钢渗碳零件主要用于大功率综合传动装置精密齿轮的生产，绝大部分齿轮渗碳淬火后都需要进行精加工，特别是带花键的齿轮，若基体硬度≥42 HRC，对插齿刀的磨损非常严重，因此，在得到高强度渗碳齿面的同时，希望基体硬度 < 42 HRC 且满足图纸≥35 HRC 的要求。为满足该要求，本文设计了如表 3 所示的淬火工艺进行试验 ( 淬火保温时间均为 90 min，回 火 保 温 时 间 均 为 240 min) ，淬火试验前，先将试样进行渗碳，渗碳参数为前期试验确认的参数。
淬火后对试样渗碳面进行硬度检测，750 ℃ 淬火图 5 17Cr2Ni2MoVNb 钢渗碳 + 淬火 + 回火后的硬度梯度 Fig. 5 Hardness gradient of the 17Cr2Ni2MoVNb steel after carburizing，quenching and tempering 试样的硬度在 55 HRC 左右，≥770 ℃淬火试样的硬度均≥60 HRC。将淬火温度≥770 ℃的试样沿径向在中间处进行切割并制样，进行非渗碳面( 基体) 的硬度检测，其结果见图 5。从图 5 可知，试样的基体硬度随着淬火温度的降低而降低，770 ℃ 和 790 ℃ 淬火试样的基体硬度约 40 HRC，满足图样技术要求。淬火温度≥770 ℃ 时，规格为 40 mm × 50 mm 的 5 个试样均已淬透，淬透性较 17Cr2Ni2Mo 强，应为 V、Nb 加入所致。
将 770 ℃和 790 ℃ 淬火的试样进行显微组织检测，如图 6 所示。可见，基体中均未发现块状铁素体等异试样的硬度在 55 HRC 左右，≥770 ℃淬火试样的硬度均≥60 HRC。将淬火温度≥770 ℃的试样沿径向在中间处进行切割并制样，进行非渗碳面( 基体) 的硬度检测，其结果见图 5。从图 5 可知，试样的基体硬度随着淬火温度的降低而降低，770 ℃ 和 790 ℃ 淬火试样的基体硬度约 40 HRC，满足图样技术要求。淬火温度≥770 ℃ 时，规格为 40 mm × 50 mm 的 5 个试样均已淬透，淬透性较 17Cr2Ni2Mo 强，应为 V、Nb 加入所致。将 770 ℃和 790 ℃ 淬火的试样进行显微组织检测，如图 6 所示。可见，基体中均未发现块状铁素体等异常组织，因此最终确定淬火温度为 770 ～ 790 ℃。
3 生产验证
通过上述试验摸索确定渗碳淬火工艺后，我公司进行了齿轮、齿圈及齿轮轴等渗碳产品的小批量生产试制，产品均进行了首件鉴定，结果显示产品的硬度指标均满足图纸和工艺要求，显微组织无异常，网状碳化物均为 1 级。其中某齿轮轴搭载型号车辆进行了跑车试验，跑车试验完毕后拆解无异常。
4 结论
1) 17Cr2Ni2MoVNb 钢 较 20Cr2Ni4A 钢 更 易 形成碳化物且不易扩散，气体渗碳时 需 在 20Cr2Ni4A 钢工艺的基础上适当降低强渗期或扩散期的碳势， 1. 05% ～ 1. 10% 强渗期碳势 + 1. 0% 扩散期碳势组合和 1. 2% 强渗期碳势 + 0. 80% ～ 0. 85% 扩散期碳势组合均适宜 17Cr2Ni2MoVNb 钢渗碳，且 1. 2% 强渗期碳势 + 0. 80% ～ 0. 85% 扩散期碳势组合更有利于实际生产。
2) 17Cr2Ni2MoVNb 钢渗碳后采用 770 ～ 790 ℃淬火 + 180 ℃ 回火，渗碳面硬度≥60 HRC，基体硬度在 40 HRC 左右，满足图样技术要求。——论文作者：周洪刚，朱 旭，刘 克，吴 丹，牛香草，向臻东
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