20CrMnMo钢渗碳空冷裂纹的原因及防止措施

20Cr MnMo 钢渗碳空冷 裂纹的原因及防止 高 　　岩 中图分类号 TG15618 + 1 　文献标识码 C 　文章编号 1008 - 0155 (2001) 05 - 0068 - 02 　　煤矿机械设备中的减速器齿轮、轴类零 件 ,其原材料多为 20CrMnMo 钢。但在生产 过程中常常出现渗碳出炉空冷后 ,部分零件会 成批开裂而报废。其裂纹分布于零件表面 ,并 与轴颈垂直纵向开裂 ,甚至沿齿轮齿顶处脱 落。对此开裂零件 ,我们经检验分析并提出产 生开裂的原因及采取的防止措施 ,现简述如 下。 一、检验分析 1、化学成份 (见下表) 元 　素 C Cr Mn Mo Si S P 实际含量 0121 1128 111 0125 0125 0103 0103 国标含量 0117 - 0124 111-114 019-112 012-013 012-014 ≤0104 ≤0104 2、硬度实验 (1) 　表面硬度 47 - 50HRC (2) 　心部硬度 25 - 27HRC(非渗碳处) 3、金相分析 (1)渗碳层总深度 1118mm (工艺 018 - 112mm) (2)渗碳层金相组织 ①表层过共析层为托氏体 + 粒状碳化物 ②次层共析层为马氏体 ③第三层亚共析层为索氏体 二、产生裂纹的原因 由检验分析结果看 ,材料的化学成份、渗 碳层的深度均符合技术要求 ,而渗碳层的金相 组织为不平衡的异常产物。显然 ,零件表面形 成的裂纹是由于共析层区马氏体相变时 ,零件 表面受拉应力 ,当组织应力超过强度极限σb 时 ,导致零件表面开裂。 共析层形成马氏体的原因 : 1、合金元素的影响 (1) 20CrMnMo 钢在渗碳后的空冷过程 中 ,由于 Mo、Cr 和 Mn 三种合金元素的原子 , 在钢中的扩散速度极慢 ,奥氏体稳定性提高 , C曲线右移 ,马氏体 Ms 点下降 ,从而降低了 冷却速度。 (2) 20CrMnMo 钢在 910o - 920 ℃温度加 热 ,保温 4 - 415h 的条件下渗碳。在初期 ,零 件表面 C 原子的渗入速度大于 C 向里的扩散 速度 ,随着时间的延长 ,表面的碳量超过了渗 碳温度下奥氏体的溶解度 ,C 便与 Mo、Cr 和 Mn 原子 (主要是 Mo、Cr) 形成碳化物。这样 , 导致表层过共析层的奥氏体中的碳和合金元 素的浓度降低 ,使奥氏体稳定性下降。在共析 ·86· 技术与经济 　　　　　　　　　　《内蒙古煤炭经济》　　　　　　　　　2001 年第 5 期 层中的奥氏体碳浓度未超过其溶解度 ,便无条 件形成合金碳化物。由此分析 ,过共析层中奥 氏体的合金度低于共析层中奥氏体的合金度 , 其稳定性降低 ,C 曲线偏离 ,移于共析层 C 曲 线的左边。 21 奥氏体中碳浓度的影响 20CrMnMo 钢经过渗碳后 ,其表面碳势增 高 ,碳浓度由表向里递减。其渗碳层深度由过 共析、共析、及亚共析成份组成。众所周知 ,奥 氏体的稳定性与固溶度相关。当奥氏体中的 碳浓度低于共析钢成份时 (0177 %) ,C 曲线随 着碳量的增加而右移 ;相反 ,对碳浓度高于共 析钢成份 (0177 %)的过共析钢而言 ,C 曲线是 随着碳浓度增加而左移。 根据碳和合金元素 Mo、Cr、Mn 的影响 , 可以判断 : (1)虽然过共析层的碳势是高的 (0185 % - 1105 %) ,但是 ,由于合金碳化物的形成 ,使 此处的奥氏体合金浓度变化 ( < 0177 %) ,稳定 性降低 ,C 曲线左移。在空冷时奥氏体转变为 托氏体 ,合金碳化物被保留下来。 (2)共析层奥氏体中的碳和合金浓度都大 于过共析处奥氏体的浓度 ,其组织最稳定 ,C 曲线大大右移 , Ms 点下降 ,临界冷却速度降 低 ,空冷中奥氏体转变为马氏体。 (3)亚共析层中碳浓度低 ,稳定性差而形 成索氏体。总之 ,过共析和亚共析处的奥氏体 的稳定性低于共析奥氏体的稳定性 ,它们的 C 曲线都与共析层奥氏体 C 曲线偏离向左移 , 在空冷后将形成三种不同的组织产物。 三、防止裂纹措施 导致零件表面裂纹的原因 ,是由于共析层 形成马氏体 ,受拉应力引起 ,而马氏体形成的 原因是工艺冷却 (空冷) 不妥所造成的。由此 看来 ,避免马氏体形成 ,只有在冷于空气的冷 却速度下改变缓慢冷却 ,才能使共析层的 过冷奥氏体转变为索氏体或珠光体。其具体 措施如下 : 11 渗碳出炉后 ,应立即将渗碳罐和零件 置于渗碳保温坑中盖好盖子 ,与空气隔绝缓慢 冷却。 21 若没有保温坑装置 ,可将渗碳罐和渗 碳工件转入 RJJ - 36 - 6、RJJ - 75 - 9、RJ X - 45 等电炉内 (不升温) ,盖上炉盖进行缓冷。 采取了以上措施后 ,热处理质量得到明显 提高 ,基本杜绝了开裂现象 ,大大降低了废品 损失 ,确保了煤机配件的产品质量。 参考文献 11 热处理工作手册 ,新疆人民出版社 21 钢铁材料及热处理工艺 ,上海科学技 术出版社 31 热处理工艺 ,198415 　　作者简介 :高岩 (1970 - ) ,男 ,昆明理工大 学毕业 ,现任平庄煤业 (集团)公司机电总厂市 场销售部副部长、师。 收稿日期 :2001 - 07 - 18 (责任编辑 　　熊红婴) ·96· 技术与经济 　　　　　　　　　　《内蒙古煤炭经济》　　　　　　　　　2001 年第 5 期