你了解表面硬化鋼嗎? 請看本文吧!!!
表面硬化鋼部件的理想特性是外表堅硬、內部核心組織韌性好。這樣的組合使材料表面具有良好的耐磨性能和抗疲勞強度，內部具有良好的沖擊強度。這是通過對部件表面進行滲碳處理，然后進行淬火和回火來實現的。滲碳鋼部件包括各種齒輪，凸輪軸，萬向節，驅動小齒輪，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，并且還可以進行切削加工。
典型應用包括
運輸：任何發動機驅動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。
能源發電：齒輪和大型部件必須承受水力發電站，風力渦輪發電機，鉆井平臺螺旋槳驅動裝置和發電站蒸汽渦輪機齒輪的循環應力和磨損。
通用機械工程：包括鍛壓機、金屬輥壓設備、機床、采礦設備和重型傳動裝置的傳動系統、土方設備和重型起重機。對于這些應用，良好的耐磨性能和疲勞強度始終是表面硬化鋼的關鍵特性。
一切移動的物體都需要表面硬化鋼齒輪
在滲碳過程中，部件在碳介質中被加熱到鋼成為完全奧氏體結構時的溫度。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散到部件中。滲碳可使表面碳含量增加到0.7％。控制在此溫度下的停留時間可以控制碳擴散的深度，從而控制“表面殼體”的厚度。同時使內部組織的碳含量保持在約0.25％。滲碳過程中一個重要目標是得到穩定，均勻的細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生了高碳馬氏體結構，在表面附近具有高硬度和耐磨性，而未經碳化的核心部分保留了其原有的良好強度和韌性。
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是評估淬透性的末端淬透性（Jominy）曲線的例子。因為目標是在核心部位產生堅固，堅韌，回火的馬氏體結構，所以合適的鋼成分取決于待處理部件的尺寸。
表1：標準表面硬化鋼
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，同時增強碳含量較高的表面外殼的韌性。這對于風力渦輪機齒輪這種大斷面部件特別有效。在滲碳過程中鉬不會被氧化，因此不會導致表面開裂和剝落。這意味著鉬不會因反應而發生損失，可保留在合金中提供有效的硬化作用。
風力發電 - 滲碳鋼發展的主要驅動力
大型風力渦輪機的齒輪在其側面和齒尖處承受著極端載荷，尤其是當風速突然發生變化或急停時。堅硬的表面和堅韌的核心使齒輪更耐磨，能夠承受高沖擊載荷。為了使風力發電機的運行噪音最小，風力渦輪機齒輪箱常常采用特別的設計，但由于齒輪齒面的磨損，使用期間齒輪噪音會增加。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硬表面/強韌核心對此是有利的。對于要求較長疲勞壽命和高韌性的應用，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鋼是風力發電機齒輪箱所用的標準齒輪鋼。大型和重載齒輪所用的滲碳鋼，其進一步優化的重點包括：
提高核心部分的抗拉強度和韌性
核心和外殼均有較高的疲勞強度
改善淬透性
淬火時變形小
改善高溫性能
要實現這些目標，必須解決性能劣化的幾個根源。滲碳層的晶間氧化可引發疲勞斷裂，降低齒輪齒面的疲勞強度。它還在滲碳層表面附近產生軟區。因此，消除表面結構的異常是開發高疲勞強度齒輪的重要目標。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度。實施這些改進的首要方法是采用以下指導原則調整鋼的化學成分：
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；
細化和均勻化晶粒尺寸 → Nb，Ti，Al和N等微合金化元素應均衡；
強化晶界 → 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械支撐。僅增加碳含量當然也會提高淬透性，但這種方法會犧牲韌性。
圖1顯示了鋼的成分改進對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大效果是顯而易見的。圖中實線表示對照鋼的淬透性。提高Ni含量和降低Mo含量（底部虛線）促進了貝氏體的形成，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 兩種改進的18CrNiMo7-6鋼（實線）的末端淬透性試驗結果，說明了添加Mo如何改善風力發電機齒輪箱的性能。
滲碳部件淬火之后，應進行回火以提高韌性。較高的回火溫度可產生較高的韌性，而相應地，硬度和強度會有損失。因此，回火溫度的選擇必須權衡這些相互矛盾的影響因素。
當標準滲碳鋼回火至180°C以上時，表面硬度和強度迅速下降。因此，對于關鍵應用，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），鋼的回火抗性大大提高。圖2顯示了添加2％Mo而不是標準0.25％的效果。即使在300℃回火后，提高Mo含量也會產生超過700HV（60HRC）的表面硬度。
圖2 添加Mo對淬火和回火NiCrMo鋼表面硬度的影響
