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18CrNiMo7-6鋼齒輪滲碳緩冷裂紋分析及防止措施

　　上海鉅備金屬材料有限公司 

　　摘要：針對18CrNiMo7-6鋼齒輪緩冷出現裂紋問題，分析了產生裂紋的原因，并提出了預防措施。

　　關鍵詞：18CrNiMo7-6鋼；齒輪；緩冷裂輪

18CrNiMo7-6化學成分（%）為：碳（C）：0.14-0.19，硅（Si）：0.17-0.35，錳（Mn）：0.40-0.60，磷（P）：≤0.03，硫（S）：≤0.03，鉻（Cr）：1.50-1.80，鎳（Ni）：1.40-1.70，鉬（Mo）：0.25-0.35，銅（Cu）：≤0.25。
　　1 前言

　　1997年，某廠在為馬鋼棒材軋機配套生產初、中軋機減速機過程中，材質為18CrNiMo7-6鋼的齒輪在滲碳處理緩冷后產生裂紋，為了找出裂紋發生的原因，我們在中科院專家的指導和幫助下進行了分析探討。

　　2 產生緩冷裂紋的原因

　　產生裂紋的原因主要是滲層在冷卻過程中產生不均勻相變造成的。滲層中存在大塊滲碳體和連續的網狀碳化物，滲層的金相組織為三層，外層為下貝氏體和網狀碳化物；中層為淬火馬氏體、下貝氏體和網狀碳化物；第三層為下貝氏體加鐵素體，由表及里的硬度檢查見下表。

　　檢查部位 滲碳層 母材
　　外表層 中間層 過渡層
　　硬度（HL） 420.433.458 5 492.479.414 3

　　相變受下述因素影響：
　　2.1 溫度的影響
　　由于碳在鐵素體中的溶解度較小（高約為0.025%），而在奧氏體狀態下，滲碳溫度越高，碳在其中的擴散系數越大，既滲碳速度越大。但溫度不宜過高，否則滲碳設備使用壽命顯著下降或損壞，溫度過高時間過長會造成滲層組織粗大，碳化物級別超差等缺陷。通常生產實際中采用900℃、930℃滲碳。

　　2.2 碳濃度的影響
　　緩冷裂紋與滲碳時的碳勢有關。
　　在滲碳初期，由于工件表面窮碳，接受活性碳原子的能力很強，滲碳速度較快，此時爐內碳勢較低，需要向爐內通過大量的滲劑，以維持爐內的碳勢，具體還與裝爐量有關，此時如果不能及時補充滲劑，可能造成滲碳時間過長，碳濃度分布曲線下凹等缺陷，但也不能過強，否則可能出現大量網狀碳化物而無法消除。
　　當工件表面含碳量不斷升高，碳勢不斷建立的情況下，應逐步減少滲劑的加入，滲碳進入擴散階段，如果此時仍保持大劑量的滲劑，就要形成表面網狀碳化物，使滲層的強度下降，脆性增加，尤其是抗拉強度的下降，對防止出現緩冷裂紋相當不利。

　　2.3 滲碳時間的影響
　　當滲碳溫度、碳勢確定以后，滲碳時間主要取決于有效硬化層深度，滲碳時間越長，硬化層越深，越淺。對于17NiCrMo6鋼硬化層在10-15μm的工件，如果擴散期控制不好，時間過短，有可能造成滲層碳濃度分布曲線過陡，在以后的緩冷過程中，形成緩冷裂紋。

　　2.4 緩冷速度的影響
　　緩冷一般是在冷卻井中進行的，其冷卻速度應比空冷更加緩慢，以便盡可能得到較平衡的組織。如果由于某種原因，使緩冷速度相當于空冷速度，結果就要出現緩冷裂紋。分析結果也表明，當滲碳層表面的含碳量達到共析成分以上時，滲層的淬透性不完全相同，在特定的緩冷速度下，發生不均勻相變，中間層的馬氏體比容較大，使表面受拉應力，由于表層有惡化，承受不了大的拉力而開裂。

　　3 防止緩冷裂紋措施

　　通過上述分析可知，產生緩冷裂紋的條件一是滲層中存在著大量的塊狀及網狀碳化物，使之性能惡化；二是滲層中發生不均勻相變。預防措施是：要避免滲層中產生大量網狀碳化物。對于18CrNiMo7-6這種含Cr、Mo強碳化物形成元素的鋼，滲碳時碳勢不能過高，尤其是到了擴散期，一定要把碳勢降到0.9%C左右，并保持一定的時間，防止產生碳化物。要避免中間層產生馬氏體。緩冷效果比較好時，一般組織比較平衡，沒有不均勻相變，但由于冷卻井內比較潮濕，水分較大，使冷卻速度提高而產生裂紋。如果冬天環境溫度比較低，工件裝爐量少，是在冷卻井中，冷卻速度仍很快，也容易產生緩冷裂紋。