你了解表面硬化鋼嗎? 請(qǐng)看本文吧!!!

表面硬化鋼部件的理想特性是外表堅(jiān)硬、內(nèi)部核心組織韌性好。這樣的組合使材料表面具有良好的耐磨性能和抗疲勞強(qiáng)度，內(nèi)部具有良好的沖擊強(qiáng)度。這是通過對(duì)部件表面進(jìn)行滲碳處理，然后進(jìn)行淬火和回火來實(shí)現(xiàn)的。滲碳鋼部件包括各種齒輪，凸輪軸，萬向節(jié)，驅(qū)動(dòng)小齒輪，連桿部件，車軸和梁。所有這些部件必須能夠抗磨損和抗疲勞，具有固有的韌性，并且還可以進(jìn)行切削加工。

典型應(yīng)用包括

運(yùn)輸：任何發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的車輛都需要表面硬化鋼的部件，無論是小型車，賽車，卡車還是海洋船舶。

能源發(fā)電：齒輪和大型部件必須承受水力發(fā)電站，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)，鉆井平臺(tái)螺旋槳驅(qū)動(dòng)裝置和發(fā)電站蒸汽渦輪機(jī)齒輪的循環(huán)應(yīng)力和磨損。

通用機(jī)械工程：包括鍛壓機(jī)、金屬輥壓設(shè)備、機(jī)床、采礦設(shè)備和重型傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)系統(tǒng)、土方設(shè)備和重型起重機(jī)。對(duì)于這些應(yīng)用，良好的耐磨性能和疲勞強(qiáng)度始終是表面硬化鋼的關(guān)鍵特性。

一切移動(dòng)的物體都需要表面硬化鋼齒輪

在滲碳過程中，部件在碳介質(zhì)中被加熱到鋼成為完全奧氏體結(jié)構(gòu)時(shí)的溫度。碳在奧氏體中的溶解度比在鐵素體中高得多，因此碳能夠通過鋼表面并擴(kuò)散到部件中。滲碳可使表面碳含量增加到0.7％?？刂圃诖藴囟认碌耐Ａ魰r(shí)間可以控制碳擴(kuò)散的深度，從而控制“表面殼體”的厚度。同時(shí)使內(nèi)部組織的碳含量保持在約0.25％。滲碳過程中一個(gè)重要目標(biāo)是得到穩(wěn)定，均勻的細(xì)晶粒奧氏體金相組織。如果奧氏體晶粒尺寸均勻，則熱處理后的變形較小，而細(xì)晶粒尺寸改善了抗疲勞性能和韌性。

部件從滲碳溫度淬火及隨后的回火產(chǎn)生了高碳馬氏體結(jié)構(gòu)，在表面附近具有高硬度和耐磨性，而未經(jīng)碳化的核心部分保留了其原有的良好強(qiáng)度和韌性。

選擇合適的合金元素可以精確控制從表面到核心的淬透性。圖1是評(píng)估淬透性的末端淬透性（Jominy）曲線的例子。因?yàn)槟繕?biāo)是在核心部位產(chǎn)生堅(jiān)固，堅(jiān)韌，回火的馬氏體結(jié)構(gòu)，所以合適的鋼成分取決于待處理部件的尺寸。

表1：標(biāo)準(zhǔn)表面硬化鋼

鉬（0.15-0.50％）用于滲碳鋼，可提高碳含量較低的核心部位的淬透性，同時(shí)增強(qiáng)碳含量較高的表面外殼的韌性。這對(duì)于風(fēng)力渦輪機(jī)齒輪這種大斷面部件特別有效。在滲碳過程中鉬不會(huì)被氧化，因此不會(huì)導(dǎo)致表面開裂和剝落。這意味著鉬不會(huì)因反應(yīng)而發(fā)生損失，可保留在合金中提供有效的硬化作用。

風(fēng)力發(fā)電 - 滲碳鋼發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力

大型風(fēng)力渦輪機(jī)的齒輪在其側(cè)面和齒尖處承受著極端載荷，尤其是當(dāng)風(fēng)速突然發(fā)生變化或急停時(shí)。堅(jiān)硬的表面和堅(jiān)韌的核心使齒輪更耐磨，能夠承受高沖擊載荷。為了使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行噪音最小，風(fēng)力渦輪機(jī)齒輪箱常常采用特別的設(shè)計(jì)，但由于齒輪齒面的磨損，使用期間齒輪噪音會(huì)增加。增加齒輪的表面硬度和耐磨性能可降低齒輪箱噪音。滲碳鋼齒輪所具有的堅(jiān)硬表面/強(qiáng)韌核心對(duì)此是有利的。對(duì)于要求較長(zhǎng)疲勞壽命和高韌性的應(yīng)用，表面硬化工藝常用的低合金鋼（例如20MnCr5）不適用。高性能NiCrMo表面滲碳鋼具有深度硬化能力，并具有高抗疲勞性能。目前，18CrNiMo7-6鋼是風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱所用的標(biāo)準(zhǔn)齒輪鋼。大型和重載齒輪所用的滲碳鋼，其進(jìn)一步優(yōu)化的重點(diǎn)包括：

• 提高核心部分的抗拉強(qiáng)度和韌性

• 核心和外殼均有較高的疲勞強(qiáng)度

• 改善淬透性

• 淬火時(shí)變形小

• 改善高溫性能

要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，必須解決性能劣化的幾個(gè)根源。滲碳層的晶間氧化可引發(fā)疲勞斷裂，降低齒輪齒面的疲勞強(qiáng)度。它還在滲碳層表面附近產(chǎn)生軟區(qū)。因此，消除表面結(jié)構(gòu)的異常是開發(fā)高疲勞強(qiáng)度齒輪的重要目標(biāo)。提高回火溫度可提高韌性，但要求較高的抗回火性以免損失強(qiáng)度。實(shí)施這些改進(jìn)的首要方法是采用以下指導(dǎo)原則調(diào)整鋼的化學(xué)成分：

防止晶間氧化 → 降低Si，Mn和Cr含量；

提高淬透性 → 增加Mo含量；

提高韌性 → 增加Ni和Mo含量；

細(xì)化和均勻化晶粒尺寸 → Nb，Ti，Al和N等微合金化元素應(yīng)均衡；

強(qiáng)化晶界 → 減少P和S含量。

通過形成超硬Mo和Nb碳化物的分散體，可以進(jìn)一步提高表面硬度。這將為滲碳外殼或硬表面涂層提供更好的機(jī)械支撐。僅增加碳含量當(dāng)然也會(huì)提高淬透性，但這種方法會(huì)犧牲韌性。

圖1顯示了鋼的成分改進(jìn)對(duì)C含量為0.18％的滲碳鋼（18CrNiMo7-6）淬透性的影響。添加碳化物形成元素的強(qiáng)大效果是顯而易見的。圖中實(shí)線表示對(duì)照鋼的淬透性。提高Ni含量和降低Mo含量（底部虛線）促進(jìn)了貝氏體的形成，增加了核心部分的韌性，但由于提高了滲碳后殘余奧氏體的比例，所以表面外殼的硬度降低。Mo和特殊的碳化物形成元素（頂部虛線）的組合均勻地提高了部件的硬度，并且將表面硬度提高到 0.18％C鋼（虛線）的基本硬度以上。

圖1 兩種改進(jìn)的18CrNiMo7-6鋼（實(shí)線）的末端淬透性試驗(yàn)結(jié)果，說明了添加Mo如何改善風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱的性能。

滲碳部件淬火之后，應(yīng)進(jìn)行回火以提高韌性。較高的回火溫度可產(chǎn)生較高的韌性，而相應(yīng)地，硬度和強(qiáng)度會(huì)有損失。因此，回火溫度的選擇必須權(quán)衡這些相互矛盾的影響因素。

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)滲碳鋼回火至180°C以上時(shí)，表面硬度和強(qiáng)度迅速下降。因此，對(duì)于關(guān)鍵應(yīng)用，最高使用溫度限制在120-160°C，齒輪冷卻變得非常重要。通過大幅增加Mo含量，以及添加Nb（可選項(xiàng)），鋼的回火抗性大大提高。圖2顯示了添加2％Mo而不是標(biāo)準(zhǔn)0.25％的效果。即使在300℃回火后，提高M(jìn)o含量也會(huì)產(chǎn)生超過700HV（60HRC）的表面硬度。

圖2  添加Mo對(duì)淬火和回火NiCrMo鋼表面硬度的影響

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