周星云 劉艷斌 趙智宇

(沈陽(yáng)鑄鍛工業(yè)有限公司熱處理公司，遼寧110142)

大齒輪是球磨機(jī)上的關(guān)鍵部件，要求具有良好的綜合力學(xué)性能及齒面耐磨性能，以保證球磨機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)冶煉、澆注等冶金因素確定之后，金相組織就成為工件力學(xué)性能的決定性影響因素，而化學(xué)成分和熱處理制度對(duì)于工件各部位金相組織的形成又是至關(guān)重要的。不同的熱處理方式、不同的熱處理參數(shù)，對(duì)材料的力學(xué)性能都有不同的影響，從而影響零件的使用性能、使用壽命和失效方式。因此有必要對(duì)大齒輪的熱處理性能和熱處理方式進(jìn)行試驗(yàn)研究，以便確定最佳的大齒輪的熱處理工藝。

1 零件尺寸和技術(shù)要求

該零件應(yīng)用在MQY5067溢流型球磨機(jī)上。材料為ZG35NiCrMo，直徑達(dá)?7 380 mm，技術(shù)要求為：齒面硬度260～300HBW，力學(xué)性能Re≥660 MPa、Rm≥830 MPa、A≥14%、Z≥30%，AkV≥38.6 J。

2 工藝試驗(yàn)

試驗(yàn)方式是通過投制基爾試棒及試塊模擬試驗(yàn)件進(jìn)行工藝模擬，在不同的熱處理制度下進(jìn)行材料性能、齒面硬度及淬透性試驗(yàn)，獲得一系列的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為制定最佳大齒輪的熱處理工藝方案提供依據(jù)。最終保證大齒輪材料既能達(dá)到上述力學(xué)性能要求，又不會(huì)產(chǎn)生開裂和較大的變形。

隨件鑄基爾試棒兩爐共14件，化學(xué)成分見表1。

半齒輪試塊淬火和回火加熱設(shè)備用4.5 kW電爐。

2.1 正火后不同的回火溫度對(duì)性能及金相組織的影響

正火工藝為860±10℃/3 h，空冷。采取不同的回火工藝后，其性能及金相組織見表2。

表1 試棒化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 The chemical composition of test bars (mass fraction,%)

2.2 淬火冷卻介質(zhì)采用油冷，不同的回火溫度對(duì)材料性能及金相組織的影響

淬火工藝為860±10℃，油冷。采取不同的回火工藝后，其性能和金相組織見表3。

2.3 淬火冷卻介質(zhì)采用熱水冷卻，不同的回火溫度對(duì)材料性能及金相組織的影響

淬火工藝為860±10℃，水冷，水溫50～70℃。采取不同的回火工藝后，其性能及金相組織見表4。

3 試驗(yàn)件的齒面硬度及淬透性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)件及試驗(yàn)用設(shè)備

試驗(yàn)件外形模仿實(shí)際大齒輪，其有效截面與實(shí)際大齒輪有效截面相同，見圖1，化學(xué)成分見表5。試驗(yàn)件加工路線主要參照半齒輪工藝進(jìn)行：鑄造→鑄后正火熱處理→粗加工→調(diào)質(zhì)→解剖分析齒面淬透性。

表2 不同回火工藝后的力學(xué)性能及金相組織Table 2 The mechanical properties and metallographic structure at different tempering temperature

表3 不同回火工藝后的力學(xué)性能及金相組織Table 3 The mechanical properties and metallographic structure at different tempering temperature

表4 不同回火后的力學(xué)性能性能及金相組織Table 4 The mechanical properties and metallographic structure at different tempering temperature

圖1 試驗(yàn)件簡(jiǎn)圖Figure 1 The test piece sketch

CSiMnPSCrMoNi檢驗(yàn)0.320.660.90.0230.0210.820.410.65

試驗(yàn)件鑄造后進(jìn)行鑄后正火處理，其工藝參數(shù)為：加熱到870℃，保溫2 h，吊出爐外空冷。處理后硬度為315HBW。

試驗(yàn)件調(diào)質(zhì)用加熱設(shè)備為75 kW電爐。由于公司無(wú)足夠大的淬火油槽，確定用熱水作為調(diào)質(zhì)工藝的淬火介質(zhì)，并根據(jù)半齒輪粗加工后實(shí)際有效截面的尺寸，估算出熱水狀態(tài)下的水-空-水間歇淬火冷卻次數(shù)和時(shí)間。為了達(dá)到模擬試驗(yàn)的目的，試驗(yàn)件淬火介質(zhì)也用熱水，冷卻設(shè)備用井式水池。

3.2 熱處理工藝參數(shù)的制定

由于試驗(yàn)是模仿實(shí)際半齒輪的生產(chǎn)，所以在制定工藝參數(shù)及質(zhì)量控制方面都要按實(shí)際生產(chǎn)情況來(lái)考慮。

制定出試驗(yàn)件符合半齒輪調(diào)質(zhì)生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制方法和措施，如原始組織應(yīng)為正回火狀態(tài)，若為退火態(tài)要補(bǔ)作正火熱處理，以改善原始組織。此外，對(duì)裝爐方式、爐膛溫度、試驗(yàn)件溫度、冷卻水溫度等實(shí)時(shí)監(jiān)控，用鎧裝熱電偶對(duì)試驗(yàn)件實(shí)際溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。為了確保淬火水冷后不開裂，將淬火槽內(nèi)冷卻水先淬其它件，使水溫達(dá)到50～70℃，然后再淬試驗(yàn)件，工藝曲線見圖2。

圖2半齒輪試塊調(diào)質(zhì)工藝 Figure 2 The quenching and tempering process curve of the half gear test piece

3.3 淬透性及淬硬性

對(duì)半齒輪來(lái)說(shuō)，如淬透性不足，淬火后就不能獲得足夠厚度的淬硬層，不能獲得足夠數(shù)量的馬氏體，即使回火后表面硬度合格，銑齒后齒面硬度也達(dá)不到要求，尤其是力學(xué)性能(如屈服極限、疲勞強(qiáng)度)亦會(huì)顯著降低。但如果不對(duì)零件進(jìn)行具體分析，一律要求保證完全淬透，就有可能提高鋼中合金元素含量，導(dǎo)致成本增加，造成浪費(fèi)。

我們對(duì)試驗(yàn)件調(diào)質(zhì)后，檢測(cè)了其淬透性、淬硬性、力學(xué)性能和金相組織。結(jié)果如下：

(1)零件表面硬度為295～300HBW；

(2)將調(diào)質(zhì)后的試驗(yàn)件沿齒面剖開，檢測(cè)其淬透性及淬硬性。從表面至非淬透層的組織分布見圖3，從表面至中心硬度分布情況見圖4。

(3)性能試驗(yàn)結(jié)果為：Re≥730 MPa，Rm≥870 MPa，A18%，Z≥37%，AkV≥(67，61，63)J。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對(duì)ZG35NiCrMo半齒輪試棒采取不同的淬火介質(zhì)、不同的溫度回火，其性能變化的規(guī)律是：

(1)正火回火后由于所得組織中含有鐵素體，所以，強(qiáng)度、硬度、沖擊較低。

(a)回火索氏體 (b)回火索氏體+貝氏體回火組織

(c)貝氏體回火組織+粒狀珠光體 (d)體貝氏回火組織+粒狀珠光體圖3 從表面至非淬透層的金相組織Figure 3 The metallographic structure from the surface to non-full hardening layer

圖4 硬度分布圖Figure 4 The hardness distribution sketch

(2)淬火采用油冷后不同溫度回火，隨著回火溫度的升高，零件的強(qiáng)度、硬度降低，塑性和韌性升高。通過選擇合適的淬火溫度和回火溫度可以滿足材料性能要求。

(3)淬火采用50～70℃熱水冷卻后不同溫度回火，隨著回火溫度的升高，零件的強(qiáng)度、硬度降低，塑性和韌性升高，也能滿足材料的性能要求。

從ZG35NiCrMo半齒輪模擬試驗(yàn)件的試驗(yàn)結(jié)果看，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)半齒輪淬火可以用熱水代替油冷，只要成分控制在要求范圍之內(nèi)，不論是材料性能還是齒面硬度都能滿足半齒輪的使用要求。同時(shí)通過沿齒面硬度的檢測(cè)及力學(xué)性能試驗(yàn)，使我們對(duì)該材料的淬透性及淬硬性有所了解。

5 結(jié)語(yǔ)

通過此項(xiàng)研究可知，對(duì)于大型鑄造合金結(jié)構(gòu)鋼齒輪，在控制好零件加熱溫度、淬火冷卻水溫度、淬火冷卻時(shí)間和零件終冷溫度等條件下，可以實(shí)現(xiàn)以水-空-水交替冷卻方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的油冷工藝方法，并使大齒輪達(dá)到所要求的力學(xué)性能和調(diào)質(zhì)硬度。在生產(chǎn)過程中，工藝參數(shù)的控制至關(guān)重要，如果控制不好就會(huì)造成零件的開裂、變形。