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18CrNiMo7-6钢齿轮渗碳缓冷裂纹分析及防止措施

　　上海钜备金属材料有限公司 

　　摘要：针对18CrNiMo7-6钢齿轮缓冷出现裂纹问题，分析了产生裂纹的原因，并提出了预防措施。

　　关键词：18CrNiMo7-6钢；齿轮；缓冷裂轮

18CrNiMo7-6化学成分（%）为：碳（C）：0.14-0.19，硅（Si）：0.17-0.35，锰（Mn）：0.40-0.60，磷（P）：≤0.03，硫（S）：≤0.03，铬（Cr）：1.50-1.80，镍（Ni）：1.40-1.70，钼（Mo）：0.25-0.35，铜（Cu）：≤0.25。
　　1 前言

　　1997年，某厂在为马钢棒材轧机配套生产初、中轧机减速机过程中，材质为18CrNiMo7-6钢的齿轮在渗碳处理缓冷后产生裂纹，为了找出裂纹发生的原因，我们在中科院专家的指导和帮助下进行了分析探讨。

　　2 产生缓冷裂纹的原因

　　产生裂纹的原因主要是渗层在冷却过程中产生不均匀相变造成的。渗层中存在大块渗碳体和连续的网状碳化物，渗层的金相组织为三层，外层为下贝氏体和网状碳化物；中层为淬火马氏体、下贝氏体和网状碳化物；第三层为下贝氏体加铁素体，由表及里的硬度检查见下表。

　　检查部位 渗碳层 母材
　　外表层 中间层 过渡层
　　硬度（HL） 420.433.458 513.501.479 492.479.414 318.337.307

　　相变受下述因素影响：
　　2.1 温度的影响
　　由于碳在铁素体中的溶解度较小（高约为0.025%），而在奥氏体状态下，渗碳温度越高，碳在其中的扩散系数越大，既渗碳速度越大。但温度不宜过高，否则渗碳设备使用寿命显著下降或损坏，温度过高时间过长会造成渗层组织粗大，碳化物级别超差等缺陷。通常生产实际中采用900℃、930℃渗碳。

　　2.2 碳浓度的影响
　　缓冷裂纹与渗碳时的碳势有关。
　　在渗碳初期，由于工件表面穷碳，接受活性碳原子的能力很强，渗碳速度较快，此时炉内碳势较低，需要向炉内通过大量的渗剂，以维持炉内的碳势，具体还与装炉量有关，此时如果不能及时补充渗剂，可能造成渗碳时间过长，碳浓度分布曲线下凹等缺陷，但也不能过强，否则可能出现大量网状碳化物而无法消除。
　　当工件表面含碳量不断升高，碳势不断建立的情况下，应逐步减少渗剂的加入，渗碳进入扩散阶段，如果此时仍保持大剂量的渗剂，就要形成表面网状碳化物，使渗层的强度下降，脆性增加，尤其是抗拉强度的下降，对防止出现缓冷裂纹相当不利。

　　2.3 渗碳时间的影响
　　当渗碳温度、碳势确定以后，渗碳时间主要取决于有效硬化层深度，渗碳时间越长，硬化层越深，越浅。对于17NiCrMo6钢硬化层在10-15μm的工件，如果扩散期控制不好，时间过短，有可能造成渗层碳浓度分布曲线过陡，在以后的缓冷过程中，形成缓冷裂纹。

　　2.4 缓冷速度的影响
　　缓冷一般是在冷却井中进行的，其冷却速度应比空冷更加缓慢，以便尽可能得到较平衡的组织。如果由于某种原因，使缓冷速度相当于空冷速度，结果就要出现缓冷裂纹。分析结果也表明，当渗碳层表面的含碳量达到共析成分以上时，渗层的淬透性不完全相同，在特定的缓冷速度下，发生不均匀相变，中间层的马氏体比容较大，使表面受拉应力，由于表层有恶化，承受不了大的拉力而开裂。

　　3 防止缓冷裂纹措施

　　通过上述分析可知，产生缓冷裂纹的条件一是渗层中存在着大量的块状及网状碳化物，使之性能恶化；二是渗层中发生不均匀相变。预防措施是：要避免渗层中产生大量网状碳化物。对于18CrNiMo7-6这种含Cr、Mo强碳化物形成元素的钢，渗碳时碳势不能过高，尤其是到了扩散期，一定要把碳势降到0.9%C左右，并保持一定的时间，防止产生碳化物。要避免中间层产生马氏体。缓冷效果比较好时，一般组织比较平衡，没有不均匀相变，但由于冷却井内比较潮湿，水分较大，使冷却速度提高而产生裂纹。如果冬天环境温度比较低，工件装炉量少，是在冷却井中，冷却速度仍很快，也容易产生缓冷裂纹。