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压缩机用齿轮渗碳钢低温回火脆性探究

孟冬梅 / 沈阳鼓风机集团有限公司    
摘要:研究了压缩机齿轮渗碳钢18Cr2Ni4W低温回火脆性转变温度,并对其回火脆性产生的原因进行分析,探讨了影响其回火脆性转变温度的各种因素,对钢的回火脆性提出新的认识。
关键词:低温回火脆性;脆性转变温度;齿轮;碳钢
中图分类号:TG156.5 文献标志码:B
Research on Low Temperature Temper Embrittlement of Gear Carburizing Steel for Compressor
Abstract: In this paper,the low temperature temper embrittlemen transition temperature of gear carburizing steel 18Cr2Ni4W for compressor was researched, the reason of causing temper brittleness was analyzed. All the factors which affected temper brittleness transition temperature were discussed. And a new viewpoint for the temper brittleness of steel was put forward at the same time.
Key words: low temperature temper embrittlement; brittle transition temperature; gear; carbon steel
0 引言
  压缩机轮轴与齿环通常采用热装方式,即加热齿环到150℃扩大齿环内孔,使齿环冷却后把合在轴上。齿环在电炉中加热,由于设备故障,造成加热温度高达240℃,对齿面硬度进行检验,发现硬度降低,同时怀疑在此温度下长时间加热会造成材料低温回火脆性, 这种回火脆性不能通过热处理方式来改善,发生低温回火脆性的钢,韧性急剧下降,不能承受较大冲击,而降低材料机械性能,因此常会造成工件整体报废。本文通过热处理试验、机械性能试验、金相检验、电子扫描等一系列检验方法,研究了压缩机齿轮用钢18Cr2Ni4W钢低温回火脆性转变温度,并对结果进行了细致分析,对实际生产具有指导作用。
1 试验材料及试验方法
  试验钢18Cr2Ni4W采用电炉冶炼并经电渣重熔,锻压成型。钢经调质处理、渗碳、淬火和低温回火处理。材料化学成分见表1。

  试验分别在240℃、290℃、320℃对所取试样保温6h,而后将试样做成冲击试块及金相检验试块。做冲击试验、金相检验并对断口进行电子扫描。
2 试验结果及分析
  试样在240℃、290℃、320℃保温6h后做冲击试验,冲击结果见表2。

  由结果可知,240℃、290℃ 保温后, 基体冲击功较高,齿部冲击功较低。18Cr2Ni4W钢在240℃、290℃保温时,齿面金相组织为细小回火马氏体加上少量细小碳化物分布其上,而基体心部金相组织为回火屈氏体,无论是晶界还是马氏体片间均无碳化物析出。心部断口扫描图象显示韧窝断口,说明断裂为韧性断裂。齿部渗层区域断裂为脆性断裂,二次电子扫描图象见图1,这也是齿部冲击较低的原因,但未发现沿晶裂纹。

  而在320℃保温6h后,基体及齿部冲击功急剧下降,脆性明显。由金相组织显示,晶间有断续碳化物析出,是低温脆性的明显特征,说明此时钢发生了低温回火脆性转变,这是发生脆性断裂的根本原因。由断口扫描图(图2)可以看到,裂纹沿晶界扩展形成,断口宏观呈现颗粒状,有放射状条纹,断口微观形貌呈冰糖状,此时断口为脆性断口。

  常见沿晶断裂引起晶界弱化的原因有4个方面[1]:
  1) 晶界沉淀相引起沿晶断裂。这类沿晶断裂是由晶界的夹杂和第二相沉淀析出(包括硫化物,碳化物等)所引起的,晶界析出相通常是不连续的;
  2) 杂质元素在晶界偏聚造成沿晶脆断:杂质元素在晶界上偏聚造成晶界弱化,主要元素有Si、Ge、Sn、N、P、As等。另外如铜、镉等金属元素也可能在晶界偏聚引起沿晶断裂,形成铜脆、镉脆等;
  3) 环境介质侵蚀而引起的沿晶断裂。这类断裂主要是氢脆、应力腐蚀;
  4) 高温下的沿晶断裂。常见的高温下沿晶断裂主要有焊接热裂纹、磨削裂纹等。
  低温回火脆性断口可以是沿原始奥氏体晶界断裂,也可以穿过马氏体板条断裂,或沿板条边界断裂,并且这3种断裂形式均与碳化物析出有关。低温回火时P向原始奥氏体晶界偏聚,当碳化物沿晶界析出时,便引起碳化物和基体之间的界面上P含量升高。在这种情况下,冲击试验断口沿原始奥氏体晶界断裂,呈晶间型。当碳化物沿板条马氏体的板条边界析出时,它们是由条间残余奥氏体薄膜分解形成的,冲击试验断口将沿板条边界断裂,当碳化物粗大甚至有裂纹时,断口也能穿过板条。即使钢中的P量极少,也同样会出现低温回火脆性,低温回火脆性是一种不可逆回火脆性,它不能通过热处理来改善或消除[2]。
  根据以上描述及断口扫描图象分析,断定钢的断口是由上述原因1)形成的,低温回火时,正是因为碳化物沿马氏体条间的残余奥氏体边界析出,弱化了晶界,引起沿晶断裂,断口扫描图象表现为脆性断裂。
  钢的低温回火脆性转变温度在240℃~450℃,但是由于某些合金元素的加入,改变了钢的脆性转变温度,18Cr2Ni4W钢中加入合金元素Ni,Si是非碳化物形成元素,减小了碳化物形成倾向,因而也减小了钢的低温回火时碳化物析出倾向,从而将钢低温回火脆性转变温度下限提高到300℃。因此在实际生产中,将18Cr2Ni4W钢加热到290℃以下不会出现低温回火脆性,但考虑到渗碳钢种的实际应用情况,尽量在240℃以下温度加热保温,以免损失齿面硬度。
3 结论
  18Cr2Ni4W钢的低温回火脆性转变温度在290℃以上;钢中加入合金元素可改变钢的回火脆性转变温度;建议避免18Cr2Ni4W钢在300℃~400℃的任何形式加热。

参 考 文 献

[1] 杨学桐.金相检验[M].上海科学普及出版社.2003,5.
[2] 赵连成.金属热处理原理[M].哈尔滨工业大学出版社.1987,2.
[3] 史美堂.金属材料及热处理[M].上海科学出版社.1983,6.

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  评论人:Bradley   打分:85 分  发表时间:2015-8-11 10:44:51
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  评论人:Bradley   打分:85 分  发表时间:2015-8-9 9:28:29
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  评论人:不锈钢网   打分:0 分  发表时间:2015-7-11 13:05:21
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