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        高合金鋼網(wǎng)帶式等溫退火爐的開(kāi)發(fā)

        2020-07-08 08:34:06郝豐林蔣勇
        金屬加工(熱加工) 2020年7期
        關(guān)鍵詞:滲碳貝氏體等溫

        郝豐林,蔣勇

        1.江蘇雙環(huán)齒輪有限公司 江蘇淮安 223200

        2.蘇州工業(yè)園區(qū)久禾工業(yè)爐有限公司 江蘇蘇州 215021

        1 序言

        隨著汽車工業(yè)的發(fā)展,對(duì)汽車齒輪質(zhì)量的要求越來(lái)越高,針對(duì)齒輪服役條件失效形式的分析指出,對(duì)齒輪材料的性能要求是高的彎曲疲勞強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度和耐磨性,較高的強(qiáng)度和韌性,以及較好的熱處理工藝性能。齒輪滲碳鋼主要有CrMn系、CrMo系、CrMnTi系、CrNiMo系、CrNi系鋼等。對(duì)于汽車變速箱齒輪、后橋齒輪根據(jù)其性能和失效分析得出,普通的CrMo系、MnCr系、CrMnTi系鋼達(dá)不到技術(shù)要求,需采用性能更好的CrNiMo系鋼。CrNiMo系鋼合金元素含量略高,如18CrNiMo7-6、17CrNiMo6、19CrNiMo7-6加入的Mo、Ni等晶界強(qiáng)化合金元素,以提高輪齒強(qiáng)度和韌性,特別是滲碳層韌性,從而增強(qiáng)了齒輪的疲勞強(qiáng)度和過(guò)載能力。

        2 19CrNiMo7-6材料熱處理工藝

        2.1 19CrNiMo7-6材料常規(guī)正火工藝

        齒輪材料的技術(shù)指標(biāo)主要有:化學(xué)成分、力學(xué)性能、淬透性、晶粒度和表面質(zhì)量等。Cr是最常用的一種合金元素,它能提高鋼的淬透性并有二次硬化作用;在滲碳鋼中,Cr能形成含鉻碳化物,從而提高齒輪表面耐磨性。Ni也是一種常用的強(qiáng)化元素,它在鋼中強(qiáng)化鐵素體并細(xì)化珠光體,總的效果是提高強(qiáng)度,對(duì)鋼的韌性、塑性以及其他工藝性能的損害較其他合金元素影響小。Mo在滲碳鋼中能提高淬透性和熱強(qiáng)性,防止回火脆性,增加回火抗力,同時(shí)還能在滲碳層中降低碳化物在晶界上形成連續(xù)網(wǎng)狀的傾向,減少滲碳層中的殘留奧氏體,相對(duì)增加了表面層的耐磨性。

        對(duì)于19CrNiMo7-6材料采用常規(guī)正火處理[1],由于正火后的冷卻速度不可控,金相組織為貝氏體加少量的鐵素體,硬度偏高,在275HBW左右,再增加一遍高溫回火,硬度在190~230HBW。采用普通的等溫正火后,易得到先共析鐵素體加少量貝氏體組織,硬度偏高,達(dá)到200~230HBW,不影響后續(xù)的切削加工。等溫正火工藝的不易控制之處在于奧氏體化加熱保溫后,要出爐空冷至等溫溫度附近,再入等溫爐進(jìn)行等溫,此處空冷溫度不易控制,受季節(jié)、氣溫波動(dòng)性影響很大[2]。對(duì)于此類材料我們生產(chǎn)過(guò)減速大齒輪、輸出軸等,對(duì)于正火不穩(wěn)定,可以通過(guò)犧牲冷加工的性能來(lái)保證成品。

        2.2 19CrNiMo7-6材料等溫退火工藝

        隨著公司的發(fā)展,外資客戶主動(dòng)找到我們開(kāi)發(fā)19CrNiMo7-6材料的后橋弧齒錐齒輪齒坯。材料要求從國(guó)外進(jìn)口,采用等溫退火。金相及硬度要求如下:要求等溫退火后在齒部外徑20%范圍內(nèi)不得有貝氏體,其余位置有≤10%的貝氏體,硬度要求156~187HBW;等溫退火后不可以二次熱處理(高溫回火降低硬度);帶狀組織≤4級(jí);對(duì)于軸承部位及齒部的硬度、金相組織都要檢測(cè)。根據(jù)我們車間設(shè)備的現(xiàn)狀,很難達(dá)到要求。從客戶提供的信息來(lái)看,國(guó)外是可以達(dá)到的,并且采用的是連續(xù)式等溫退火爐,具體是網(wǎng)帶式、推盤式還是棍棒式,因保密原因不得而知,但采用等溫退火工藝確信無(wú)疑。

        3 網(wǎng)帶式等溫退火爐的研制

        根據(jù)客戶提供的信息,我們?cè)儐?wèn)了國(guó)內(nèi)制造等溫正火爐的廠家是否可以達(dá)到這個(gè)要求,調(diào)查資料顯示有的正火爐廠家可以做出符合要求的產(chǎn)品,于是對(duì)使用這家正火爐的企業(yè)進(jìn)行了解,結(jié)果顯示硬度要求160~190HBW,經(jīng)常能達(dá)到200~207HBW,但也就只能達(dá)到這個(gè)水平了。后來(lái)硬度要求提高到170~210HBW(硬度高了可以通過(guò)高溫回火來(lái)降低)。因此有的廠家建議采用推盤式退火爐似乎效果好于網(wǎng)帶式退火爐,根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),采用推盤式退火爐能耗太大,成本高。經(jīng)過(guò)慎重考慮還是找一家國(guó)內(nèi)占有率高的網(wǎng)帶式等溫正火爐廠家咨詢,客戶推薦選擇蘇州九禾工業(yè)爐有限公司,于是我們就與其合作開(kāi)發(fā)網(wǎng)帶式等溫退火爐。

        所謂等溫退火是將齒坯加熱至奧氏體化后,迅速冷卻到珠光體相變區(qū)等溫,直至相變完成后再自由空冷,防止產(chǎn)生粒狀貝氏體,使顯微組織和硬度均勻,從而改善齒坯的加工性能,并減少后續(xù)的熱處理變形,提高齒輪品質(zhì)和生產(chǎn)效率,特別是適宜于高淬透性,易產(chǎn)生粒狀貝氏體的齒輪材料。

        根據(jù)資料查到17CrNiMo6鋼的等溫退火工藝:加熱至950℃、保溫150min;風(fēng)冷至660℃,保溫150min。齒輪毛坯硬度為173~197HBW,金相組織為塊狀珠光體加鐵素體。19CrNiMo7-6硬度要求156~187HBW,等溫溫度660℃及等溫時(shí)間是否可以優(yōu)化。經(jīng)查資料得出,工件在加熱區(qū)溫度高、時(shí)間長(zhǎng)有利于組織均勻,在等溫區(qū)合適的溫度,長(zhǎng)時(shí)間等溫利于組織轉(zhuǎn)變完全,利于硬度降低。因此,我們要求工件在加熱爐停留的時(shí)間不低于250min,在等溫區(qū)的時(shí)間不低于270min,工件以最快速度進(jìn)入等溫爐。對(duì)于等溫1區(qū)保溫性能要好,對(duì)于風(fēng)冷區(qū)工件由加熱區(qū)進(jìn)入等溫區(qū)溫度降低不得大于50℃,風(fēng)冷區(qū)要求密封性要好。但是對(duì)于處理普通材料要求冷卻性能要好,這是爐子設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

        4 工藝優(yōu)化

        為了便于工藝優(yōu)化,我們查了17CrNiMo6和19CrNiMo7-6這兩種材料的化學(xué)成分,見(jiàn)表1。根據(jù)化學(xué)成分對(duì)比,沒(méi)有太大差別。對(duì)于19CrNiMo7-6連續(xù)-時(shí)間-溫度轉(zhuǎn)變圖(見(jiàn)圖1),等溫-時(shí)間-溫度轉(zhuǎn)變圖(見(jiàn)圖2)。根據(jù)轉(zhuǎn)變圖可以看出,溫度在650℃轉(zhuǎn)變速度最快。但是,為了保證產(chǎn)品性能穩(wěn)定,我們?cè)?70℃及635℃也做了試驗(yàn)。等溫退火工藝是加熱溫度940℃、保溫250min,以35s速度進(jìn)入等溫區(qū),等溫溫度分別選擇了670℃、650℃、635℃,保溫時(shí)間270min。金相組織檢測(cè)如圖3~圖8所示,硬度及金相檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

        表1 17CrNiMo6和19CrNiMo7-6兩種材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))對(duì)比 (%)

        圖1 19CrNiMo7-6連續(xù)-時(shí)間-溫度轉(zhuǎn)變圖

        圖2 19CrNiMo7-6等溫-時(shí)間-溫度轉(zhuǎn)變圖

        根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可以看出,采用這三種等溫溫度,工件的金相、硬度都是合格的。但隨著等溫溫度的降低,硬度有上升的趨勢(shì)。工件發(fā)到歐洲檢測(cè),也是合格的。

        圖3 670℃齒部金相

        圖4 670℃桿部金相

        圖5 650℃齒部金相

        圖6 650℃桿部金相

        圖8 635℃桿部金相

        表2 硬度及金相檢測(cè)結(jié)果

        5 結(jié)束語(yǔ)

        經(jīng)過(guò)一年多的運(yùn)行,質(zhì)量很穩(wěn)定,滿足了客戶要求。網(wǎng)帶式等溫退火爐的研制成功,大大降低了等溫退火的費(fèi)用,為企業(yè)創(chuàng)造了價(jià)值。

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