哈爾濱匯隆汽車箱橋有限公司(黑龍江 150088)金榮植
Cr-Ni-Mo系鋼經(jīng)滲碳、淬火和回火后的各種力學性能優(yōu)越,目前主要用于兩類齒輪,一類是大型軋鋼機減速器齒輪、人字齒輪、機座齒輪,大型帶式輸送機傳動軸齒輪,大型錐齒輪,大型挖掘機傳動器主動齒輪,井下采煤機傳動器齒輪,重型汽車驅動橋弧齒錐齒輪及坦克用齒輪等,齒輪性能要求為:傳遞功率大、齒輪表面載荷高、耐沖擊,齒輪尺寸大,要求淬透性高;另一類是冶金、化工、電站機械設備及鐵路機車、宇航、船舶等汽輪發(fā)動機、工業(yè)汽輪機、燃氣輪機、高速鼓風機及透平壓縮機等使用的齒輪。齒輪性能要求為運行速度高、周期長、安全可靠性高。
由于Cr-Ni-Mo系鋼工藝性能差,齒輪鍛坯要經(jīng)過復雜的預備熱處理后才能切削加工,通常滲碳后不能直接淬火,要經(jīng)過二次加熱淬火,以減少殘留奧氏體。因此,熱處理工藝復雜。由于齒輪技術要求不同,其熱處理工藝也不盡相同。
17CrNiMo6鋼(德國標準DIN 17210—1986)是德國ZF公司開發(fā)的高強度、大模數(shù)齒輪滲碳鋼,用于重型汽車驅動橋弧齒錐齒輪等。目前此鋼已經(jīng)完成國產(chǎn)化。
(1)齒輪鍛坯等溫正火工藝 加熱950℃×150min后風冷至660℃并保溫150min。鍛坯硬度173~197HBW,金相組織為塊狀珠光體+鐵素體。
(2)齒輪雙排連續(xù)式滲碳爐滲碳工藝 表1為雙排連續(xù)式滲碳爐滲碳工藝參數(shù)。其工藝特點是,此鋼比22CrMoH鋼的滲碳與淬火溫度、碳勢略低,滲碳周期略長。滲碳后經(jīng)中冷室冷卻,以及再加熱室加熱淬火。
表1 雙排連續(xù)式滲碳爐滲碳工藝參數(shù)
機車牽引齒輪屬于高速重載齒輪。某機車車輛廠選用17CrNiMo6作為機車牽引從動齒輪用鋼。
(1)齒輪鍛件預備熱處理 鍛件采用正火+高溫回火的熱處理工藝,回火溫度一般要求550℃以上,保證后續(xù)加工過程中的組織穩(wěn)定和尺寸精度。
(2)熱處理工藝 采用氣體滲碳工藝。通過計算機不僅可控制滲碳層深度和表面硬度,而且還可控制表面含碳量、碳化物及殘留奧氏體的形態(tài)分布,以及表面硬度和硬度梯度等。滲碳溫度控制在920~930℃。滲碳時,例如模數(shù)為12mm的17CrNiMo6鋼齒輪,滲碳層深度可達1.5~2.2mm。
①滲碳。850℃裝爐,滴注式氣氛,并進行均溫。然后升溫至930℃,強滲20h,碳勢1.25%,隨后在930℃擴散10h,碳勢控制0.85%。滲碳層深度合格后直接空冷。
②高溫回火。650℃×3h,空冷。
③淬火加熱。850℃×3h,在保護氣氛下加熱,油冷。
④低溫回火。190℃×5h,空冷。
大中重載水泥、冶金和船用齒輪,使用負荷高,傳遞功率大,要求有較好的強韌性配合,材料為17CrNiMo6鋼。
滲碳淬火+淬火工藝:滲碳后采用淬火處理比采用空冷正火處理(滲碳空冷→高溫回火→淬火→低溫回火),能夠得到較好的強韌性配合和更高的塑韌性指標,其中沖擊吸收能量可提高50%以上。
滲碳后淬火+淬火的工藝(即滲碳淬火→高溫回火→淬火→低溫回火)適合于需要較高強韌性配合的齒輪(軸),如高速船用齒輪箱、齒輪軸等。
齒輪外形尺寸φ1073mm,寬度195mm,模數(shù)4.5mm,材料為17CrNiMo6鋼,要求滲碳淬火處理。
(1)滲碳淬火工藝 滲碳齒輪鹽浴淬火工藝曲線見圖1。滲碳齒輪鹽浴淬火為“鹽浴-空氣”分級淬火。采用鹽浴淬火會降低齒輪淬火應力,從而減小齒輪淬火畸變。滲碳齒輪分級淬火鹽浴溫度根據(jù)滲碳后表層材料Ms不同,在150~170℃之間選擇。
(2)檢驗結果 馬氏體1級,殘留奧氏體2級,碳化物2級,表面非馬氏體組織2μm,齒輪的熱后平均脹量在2.25mm,檢驗結果均符合技術要求。
圖1 17CrNiMo6鋼齒輪滲碳+鹽浴淬火工藝曲線
17Cr2Ni2Mo鋼是德國ZF公司研發(fā)的ZF1A鋼,用于重型商用車后橋主動弧齒錐齒輪等。
井下采煤機重負荷齒輪,材料17Cr2Ni2Mo鋼,熱處理技術要求:滲碳層深度1.0~1.4mm;齒面與心部硬度分別為58~62HRC和36~42HRC。
(1)齒輪毛坯的預備熱處理工藝 采用正火+高溫回火。正火:950℃×3h,空冷。高溫回火:670℃×4h,空冷。
(2)熱處理工藝 滲碳工藝:滲碳900~940℃,滲劑為煤油;排氣1h,煤油240~300滴/min;強滲3h,煤油180~240滴/min;擴散6h,煤油80~100滴/min;出爐、緩冷。表2為工藝參數(shù)。淬火工藝:淬火加熱810℃×35min,出爐入油冷至室溫?;鼗穑夯鼗?80℃×4h,空冷。
(3)檢驗結果 滲碳質量檢驗為,滲碳層深度1.3~1.4mm;表面碳化物深度0.4~0.5mm;碳化物級別3~4級。淬火質量檢驗為,齒面馬氏體3~4級;齒心部為低碳馬氏體+極少量鐵素體。齒形試樣齒表面與心部硬度分別為57~60HRC和38~40HRC。
表2 17Cr2Ni2Mo鋼齒輪工藝參數(shù)
(1)17Cr2Ni2Mo鋼大型重載齒輪深層滲碳、球化退火和淬火回火工藝 深層滲碳工藝見圖2。
變溫度碳勢深層滲碳工藝:均溫750℃×2h→滲碳880~890℃×4h→強滲880~890℃×50h→擴散Ⅰ(從880~890℃升溫至930℃并進行保溫)×12h→擴散Ⅱ(930℃×56h)→擴散Ⅲ(930℃×56h)→爐冷至800℃出爐空冷。
球化退火工藝:650℃×5h→760~780℃×10h→650℃×10h→爐冷至550℃出爐空冷。
淬火回火工藝:在保護氣氛下加熱650~670℃×2~4h→淬火800~820℃×1.6h/mm→油冷至160~200℃×2h→250℃回火×2.6h/mm。
(2)控制滲碳淬火畸變措施 預備熱處理:對于齒輪和齒輪軸,采用正火作為預備熱處理;對于齒圈采用調質處理。淬火冷卻控制:合金鋼滲碳后表面馬氏體轉變溫度為130~140℃,最終冷卻溫度控制在160~180℃為宜。將齒輪油冷一段時間后,轉入180℃爐中保溫數(shù)小時后,再冷至室溫。也可采用80~100℃熱油淬火,最終溫度120~150℃。
圖2 大型重載齒輪深層滲碳工藝曲線
德國汽車公司在重型汽車后橋弧齒錐齒輪使用18CrNiMo7-6鋼,此鋼屬于高淬透性滲碳鋼。
20CrNi2Mo鋼是從美國引進的鋼種。由于20CrNi2Mo鋼材料中鎳含量較高,其熱處理工藝具有特殊性。
18CrNiMo7-6和20CrNi2Mo鋼在大型高速重載齒輪領域也有重要用途。例如風力發(fā)電機增速箱的輸出齒輪和水泥磨機減速箱的輸入齒輪軸等。其熱處理要求:滲碳層深度2.4~3.0mm(550HV),齒面硬度58~63HRC,齒面碳化物1~3級。
(1)熱處理設備 滲碳設備采用VKEs5/2型可控氣氛箱式多用爐,其爐溫均勻度為±5℃,碳勢均勻性為±0.02%。
(2)熱處理工藝 針對齒面碳化物易于超標和齒面硬度偏低進行工藝優(yōu)化。18CrNiMo7-6和20CrNi2Mo鋼熱處理工藝曲線見圖3。
18CrNiMo7-6鋼的輸出齒輪采用1.05%碳勢強滲20h和0.80%碳勢擴散10h;二次加熱淬火并低溫回火后測得滲碳層深度為2.8mm(550HV),齒面硬度61.2HRC,齒面碳化物為彌散分布顆粒狀1級。
20CrNi2Mo鋼的輸入齒輪軸采用1.25%碳勢強滲20h和0.90%碳勢擴散10h,二次加熱淬火后滲碳層深度為2.91mm(550HV),齒面硬度為60.3HRC,齒面碳化物為彌散分布顆粒狀2級。
圖3 18CrNiMo7-6和20CrNi2Mo鋼齒輪熱處理工藝曲線
例1,工業(yè)機械中的大型軋鋼機、大型挖掘機及大型水泥磨機等重型機器中的大型齒輪,單件齒輪重量從數(shù)噸到數(shù)十噸。滲碳層深度一般要求3~5mm,最深可達8mm。
(1)滲碳工藝 由于齒輪滲碳層深度較深,相應滲碳周期長,最大可達150~200h。深層滲碳工藝既要快速滲碳以盡量縮短工藝周期,又要限制滲層碳含量過高,以避免不良碳化物的形成及過多殘留奧氏體產(chǎn)生。對此,可采用計算機自動控制碳勢。20CrNi2Mo鋼人字齒輪的深層滲碳工藝見圖4。
圖4 20CrNi2Mo鋼人字齒輪的深層滲碳工藝曲線
(2)工藝過程 裝爐后750℃×2h進行預熱→880~890℃排氣并均溫共4h→880~890℃×50h滲碳→升溫930℃包括到溫12h進行第一次擴散→930℃×56h第二次擴散→930℃×56h第三次擴散→爐冷至800℃出爐空冷。
例2:工業(yè)傳動箱產(chǎn)品的齒輪,齒頂圓φ1485mm,齒寬422mm,滲碳層深度3.3~3.9mm。
滲碳采用大型井式滲碳爐φ1600mm×1800mm,該設備可根據(jù)不同滲碳層深度的工件編制相應的工藝程序而自動進行碳勢、時間及過程控制。采用滲碳直接淬火工藝,對強滲和擴散期的碳勢、時間、淬火溫度和淬火前的碳勢作了嚴格的規(guī)定。升溫時適當控制升溫速度,在850℃均溫一定時間,升溫至930℃均溫0.5h后加入強滲,強滲期碳勢為1.2%,擴散期碳勢為0.85%,均溫后碳勢為0.73%,淬火溫度為820℃,在60℃油中淬火,最后進行180℃低溫回火。具體熱處理工藝見圖5。檢驗結果見表3。
圖5 20CrNi2Mo鋼齒輪滲碳直接淬火工藝
表3 檢驗結果
20CrNi2Mo鋼在汽車制造行業(yè),主要是針對大功率發(fā)動機的使用而開發(fā)的重型汽車驅動橋弧齒錐齒輪滲碳鋼。20CrNi2Mo鋼中含Ni量較高,通過中冷雙排連續(xù)式滲碳爐進行滲碳、緩冷和再加熱淬火,并采用適當碳勢、適當溫度和較長周期的滲碳淬火工藝,降低殘留奧氏體量,使工件的金相組織達到產(chǎn)品技術要求,因此,可實現(xiàn)部分含Ni較高工件的大批量滲碳直接淬火。
表4與表5分別為東風汽車集團公司某熱處理廠采用中冷雙排滲碳爐處理20CrNi2Mo試樣(160mm×50mm×16mm)工藝參數(shù)與檢驗結果。
表4 20CrNi2Mo鋼工藝參數(shù)
通過表4看出,20CrNi2Mo試樣經(jīng)過滲碳、擴散后在中冷室用純度99.5%(質量分數(shù))的N2進行冷卻,降溫至550℃后再進行二次加熱奧氏體晶粒細化后,可獲得更加細小的晶粒度和顯微組織,晶粒度由7~9級提高至9級,彎曲疲勞強度由560MPa提高至800MPa,提高彎曲疲勞強度30%。
表5 20CrNi2Mo鋼檢驗結果
國產(chǎn)20CrNiMo鋼(相當于美國牌號SAE8620鋼),已經(jīng)廣泛用于重型汽車驅動橋主動弧齒錐齒輪及重型變速器齒輪等。
例1:重型汽車驅動橋主動弧齒錐齒輪,材料為20CrNiMo鋼,熱處理要求:滲碳淬火有效硬化層深度1.70~2.10mm,齒面硬度58~64HRC,金相組織為碳化物、馬氏體及殘留奧氏體均≤5級。
(1)齒輪鍛坯等溫正火工藝 加熱860~880℃×2~3h→經(jīng)強風冷卻3~5min→等溫600~620℃×2~3h。鍛坯正火硬度160~180HBW,金相組織鐵素體+珠光體,組織均勻,硬度適中。
(2)齒輪滲碳淬火工藝 20CrNiMo鋼主動弧齒錐齒輪雙排連續(xù)式滲碳爐滲碳淬火工藝見表6。
表6 雙排連續(xù)式滲碳爐滲碳工藝
(3)檢驗結果 碳化物0~1級,馬氏體、殘留奧氏體1~3級,滲碳淬火有效硬化層深度1.80~1.95mm,齒面硬度60~64HRC。
例2:轉向器齒輪,材料為20CrNiMo鋼,要求滲碳淬火。
(1)熱處理工藝及設備 滲碳淬火采用可控氣氛多用爐。20CrNiMo鋼齒輪滲碳工藝見圖6。滲碳工藝參數(shù)見表7。
圖6 20CrNiMo鋼齒輪熱處理工藝
表7 20CrNiMo鋼齒輪滲碳工藝參數(shù) (%)
滲碳:920℃×4.5h,淬火:840℃×0.5h,淬火采用好富頓G油(油溫80℃)。采用氧探頭控制碳勢,紅外儀測定j(CO)并動態(tài)補償,CH4監(jiān)視報警,CO2監(jiān)視報警。
(2)檢驗 滲碳層深度0.70~0.75mm,表面硬度58~63HRC,心部硬度35~42HRC,表面金相組織為回火馬氏體+極少量殘留奧氏體+極少量顆粒狀碳化物(1級),心部為低碳馬氏體+鐵素體(1級)。
20Cr2Ni4A鋼含有較多Ni元素,材料強韌性高,常用于坦克等重負荷齒輪,要求碳氮共滲處理。
(1)高濃度碳氮共滲“三段控制”工藝 其熱處理工藝曲線見圖7。
圖7 高濃度碳氮共滲“三段控制”工藝曲線
(2)工藝效果 經(jīng)檢驗,共滲層厚度1.1mm,碳氮化合物層是呈彌散分布的碳氮化合物組織,其淬火組織中的殘留奧氏體量較少。
由于采用“三段控制”直接淬火工藝,生產(chǎn)效率得到提高。因滲碳溫度低,并在滲碳后直接淬火,因此齒輪熱處理畸變減小。