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        淬透性細(xì)化分級8620H鋼的熱處理性能研究

        2022-04-09 02:45:16海俠女黃太偉范王展桂偉民何亮亮
        金屬熱處理 2022年3期
        關(guān)鍵詞:淬透性中間軸鋼種

        海俠女,楊 揚(yáng),黃太偉,范王展,桂偉民,何亮亮

        (陜西法士特齒輪有限公司,陜西 西安 710119)

        隨著企業(yè)產(chǎn)品類型多樣化的發(fā)展趨勢及對產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高,對鋼材的淬透性細(xì)化分級是必要的。淬透性是鋼材淬火時得到淬硬層深的能力,是其固有屬性,只與其化學(xué)成分(合金元素種類及含量)以及晶粒度等有關(guān),淬透性越小,淬火畸變量也就越小,心部硬度越小。因此,按照零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能要求,對同一鋼種進(jìn)行不同淬透性等級區(qū)分,做到零件類別與所用鋼種淬透性級別的一一對應(yīng),為零件選擇更合理的鋼材,以獲得理想的強(qiáng)度和精度。按照所用材料的淬透性,制定合理的熱處理工藝,包括適宜的淬火介質(zhì)(類型、溫度及攪拌強(qiáng)度),以獲得理想的硬度層分布和心部硬度[1]。

        各企業(yè)一般經(jīng)過技術(shù)評估及生產(chǎn)驗(yàn)證,對同一鋼種的不同淬透性等級所適用于的零件結(jié)構(gòu)會進(jìn)行區(qū)分和說明,同時,零件所采用的熱處理工藝也會區(qū)分,比如某公司的同步器按照半馬距定位法對產(chǎn)品進(jìn)行分類,并制定相應(yīng)的鋼材淬透性等級,其新開發(fā)的26CrMnTiH鋼主要通過控制J3 mm和J4.5 mm處的淬透性,對淬透性進(jìn)行了兩檔分級,分別適用于薄壁小模數(shù)和稍大模數(shù)同步器齒套的單件淬火[2]。我國常用20CrMnTiH鋼的淬透性分級為H1~H6,各企業(yè)根據(jù)自身產(chǎn)品特點(diǎn),對不同檔的淬透性端淬值要求有差異[3-5]。據(jù)有關(guān)資料可知,一些世界知名企業(yè)均有完備的鋼材體系標(biāo)準(zhǔn),并根據(jù)企業(yè)內(nèi)部的產(chǎn)品對關(guān)鍵核心鋼種進(jìn)行了淬透性細(xì)化分級要求,如某公司對20CrMo鋼及其改性鋼材用版本號區(qū)分淬透性的低、中、高等級;某公司對17NiCrMoS6鋼的淬透性級別進(jìn)行了由低到高的4個等級區(qū)分。因此,本公司也展開對所用鋼種的淬透性細(xì)化分級工作。

        1 試驗(yàn)材料及方法

        1.1 淬透性細(xì)化分級設(shè)計

        根據(jù)我公司鋼材的應(yīng)用情況可知,在我公司廣泛使用的鋼種為8620H鋼,此鋼種為美標(biāo)Cr-Ni-Mo系鋼,采用的冶煉工藝為:電爐或轉(zhuǎn)爐冶煉—爐外精煉(LF)—真空脫氣(VD或RH)—連鑄或模鑄。我公司對8620H鋼的淬透性進(jìn)行細(xì)化分級,規(guī)定8620H鋼為低淬透性級別,8620H2鋼為高淬透性級別。兩者的化學(xué)成分及淬透性設(shè)計如表1所示,相較于8620H鋼而言,8620H2鋼的C元素化學(xué)成分上下限要求均提高0.01%,Mn元素和Cr元素化學(xué)成分上下限要求均提高0.05%;8620H2鋼各J點(diǎn)的淬透性上下限要求大約提高了5 HRC,淬透性帶寬要求不變,均為6~7 HRC。

        表1 試驗(yàn)鋼的設(shè)計化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)及淬透性

        1.2 試驗(yàn)方法

        選用試驗(yàn)零件為副箱中間軸,其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1,基本加工工序?yàn)殄懺臁志嚒獫L剃齒—熱處理—熱后加工。

        圖1 副箱中間軸的結(jié)構(gòu)示意圖

        在環(huán)形熱處理爐進(jìn)行滲碳淬火試驗(yàn),主要分為加熱區(qū)、滲碳區(qū)、降溫區(qū)、淬火區(qū)、回火區(qū),常用工藝參數(shù)為溫度、周期、碳勢。

        零件的熱處理技術(shù)指標(biāo)包括硬化層深、心部硬度(C點(diǎn)和D點(diǎn),如圖2所示)、表面硬度、殘留奧氏體級別、非馬氏體組織。其中,齒面硬化層深要求為1.15~1.65 mm,齒根硬化層深要求≥0.8 mm,心部硬度C點(diǎn)要求為30~45 HRC,心部硬度D點(diǎn)要求為≥25 HRC。采用TUKON 2500顯微硬度計進(jìn)行硬化層深檢測,采用4150洛氏硬度計進(jìn)行心部硬度和表面硬度檢測,采用A1m光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。殘留奧氏體含量根據(jù)QC/T 262—1999《汽車滲碳齒輪金相檢驗(yàn)》采用金相法測得。

        圖2 心部硬度位置說明

        2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        2.1 淬透性細(xì)化分級

        按照化學(xué)成分和淬透性的設(shè)計要求,隨機(jī)抽測統(tǒng)計8620H鋼和8620H2鋼的實(shí)測化學(xué)成分和淬透性,各主元素的實(shí)測化學(xué)成分及淬透性如表2所示。

        表2 試驗(yàn)鋼的實(shí)測化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)及淬透性

        淬透性是鋼材的一種屬性,主要和鋼材的化學(xué)成分有關(guān),低碳合金鋼C含量增加,降低了臨界冷卻速度,淬透性提高;而8620H鋼中的主合金元素Mn、Mo、Cr、Ni中Mn降低臨界冷卻速度的程度最高,Ni降低臨界冷卻速度的程度最低,當(dāng)此4種主合金元素含量同時提高時,大大降低了臨界冷卻速度,使得鋼材的淬透性顯著提高[6-8]。如表2所示,將8620H鋼和8620H2鋼的主元素實(shí)測化學(xué)成分范圍進(jìn)行對比可知,高淬透性級別8620H2鋼中C、Mn、Ni、Cr、Mo的實(shí)測化學(xué)成分范圍均有所提高,且在要求范圍的中上限,因此,在C和各主合金元素實(shí)控范圍提高后,淬透性得到提高,達(dá)到了設(shè)計要求。

        2.2 熱處理性能結(jié)果分析

        2.2.1 相同熱處理工藝下的熱處理性能結(jié)果

        如圖3所示,1號熱處理工藝的強(qiáng)滲溫度925 ℃,強(qiáng)滲碳勢1.20%C,擴(kuò)散溫度865 ℃,擴(kuò)散碳勢0.85%C,淬火工藝的快攪拌速度為1500 r/min,慢攪拌速度為1400 r/min,工位節(jié)拍時間為25.5 min。8620H鋼和8620H2鋼的副箱中間軸在1號熱處理工藝下,實(shí)測技術(shù)指標(biāo)如表3所示,可知,8620H鋼副箱中間軸的C點(diǎn)心部硬度為下限值,D點(diǎn)心部硬度為23.6 HRC(≤25 HRC的設(shè)計要求),實(shí)際生產(chǎn)中確實(shí)存在一定比例的心部硬度不合格問題。此外,可以看出相較于8620H鋼,8620H2鋼副箱中間軸的齒面層深提高0.1 mm,齒根層深提高0.2 mm,C點(diǎn)和D點(diǎn)心部硬度提高6 HRC左右。同時,根據(jù)等效硬度法[9],8620H2鋼的副箱中間軸C點(diǎn)硬度為37.5 HRC,約等于此鋼材J5/16處的端淬值37 HRC,D點(diǎn)硬度為28.0 HRC,約等于此鋼材J8/16處的端淬值28.6 HRC,同樣,8620H鋼也符合此規(guī)律,因此,副箱中間軸C點(diǎn)硬度值等效為J5/16處的端淬值,D點(diǎn)硬度值等效為J8/16處的端淬值。

        表3 試驗(yàn)鋼經(jīng)1號熱處理工藝后的試驗(yàn)結(jié)果

        圖3 1號熱處理工藝示意圖

        2.2.2 高淬透性材料的不同熱處理性能分析

        8620H2鋼的副箱中間軸在不同熱處理工藝周期下的實(shí)測熱處理技術(shù)指標(biāo)如表4所示,可知隨著滲碳時間的縮短,8620H2鋼副箱中間軸的齒面和齒根的滲碳層深逐漸減小,工位節(jié)拍時間從25.5 min逐漸縮短至20.5 min,齒面層深由1.67 mm縮短至1.35~1.47 mm,而設(shè)計要求為1.15~1.65 mm,設(shè)計中值為1.40 mm,齒根層深、心部硬度均合格,故工位節(jié)拍時間確定為20.5 min。

        表4 不同熱處理工藝下8620H2鋼的實(shí)測結(jié)果

        由于8620H2鋼淬透性比8620H鋼的要高,在目前的淬火工藝下,實(shí)測副箱中間軸熱處理后齒形齒向及累積跳動的合格率降低,故需優(yōu)化淬火工藝。

        此外,8620H2鋼副箱中間軸的齒部在進(jìn)行線切割取樣檢測時發(fā)現(xiàn),齒頂處存在宏觀裂紋,如圖4所示,齒頂經(jīng)腐蝕后,在裂紋附近并未發(fā)現(xiàn)脫碳、氧化等異常組織,裂紋兩側(cè)組織一致,即裂紋為熱處理后產(chǎn)生,推測為熱處理后因齒頂結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力大、齒頂表面碳勢高、在線切割時應(yīng)力得不到緩慢釋放,故在齒頂處產(chǎn)生裂紋。

        圖4 8620H2鋼齒頂處的裂紋形貌

        為了進(jìn)一步減小熱處理后的齒部變形、避免取樣檢測的齒頂裂紋情況,因此,強(qiáng)滲碳勢由1.20%C降低至1.15%C,擴(kuò)散溫度由865 ℃降低至855 ℃,同時,將熱處理淬火工藝中快攪速度1500 r/min、慢攪速度1400 r/min優(yōu)化為快攪速度1000 r/min、慢攪速度800 r/min。參數(shù)優(yōu)化后的熱處理工藝示意圖如圖5所示。

        圖5 優(yōu)化后的2號熱處理工藝示意圖

        在優(yōu)化后工藝下繼續(xù)試驗(yàn)及小批量驗(yàn)證,副箱中間軸的齒面剖檢熱處理滲碳層深范圍為1.29~1.65 mm,符合齒面滲碳層1.15~1.65 mm的設(shè)計要求,心部硬度C點(diǎn)范圍為35.6~44.20 HRC,D點(diǎn)范圍為27~35 HRC,與8620H鋼副箱中間軸在1號熱處理工藝下的技術(shù)指標(biāo)相比,8620H2鋼副箱中間軸在2號熱處理工藝下的心部硬度C點(diǎn)提高約10 HRC,D點(diǎn)提高約5 HRC,符合圖紙要求。實(shí)測熱處理后的副箱中間軸齒形齒向及累積跳動合格率得到提升,8620H2鋼副箱中間軸在2號熱處理工藝下的齒部精度合格率與8620H鋼副箱中間軸在1號熱處理工藝下的相當(dāng)。

        此外,優(yōu)化工藝處理后的副箱中間軸線切割取樣時,齒頂并未發(fā)生宏觀裂紋。因此,8620H2鋼副箱中間軸的最終熱處理工藝可確定工位節(jié)拍時間為20.5 min,強(qiáng)滲溫度925 ℃,強(qiáng)滲碳勢1.15%C,擴(kuò)散溫度855 ℃,擴(kuò)散碳勢0.85%C,快攪速度1000 r/min,慢攪速度800 r/min,快攪時間240 s。

        根據(jù)以上試驗(yàn)及實(shí)際生產(chǎn)情況,高淬透性級別8620H2鋼適用于模數(shù)≥4.5的齒輪、軸類零件,比如副箱減速輪、中間軸等,而低淬透性級別8620H鋼適用于模數(shù)2~4.5的齒輪、軸類零件,比如一檔齒輪、二檔齒輪等。

        3 結(jié)論

        1)通過對化學(xué)成分的微調(diào),實(shí)現(xiàn)8620H鋼種的淬透性細(xì)化分級,高淬透性級別8620H2鋼比低淬透性級別8620H鋼的各J點(diǎn)端淬值高約5~6 HRC。

        2)相同熱處理工藝下,高淬透性8620H2鋼副箱中間軸的齒部心部硬度比低淬透性8620H鋼的要高出5~6 HRC、齒面層深增加0.1 mm。

        3)相比于低淬透性8620H鋼副箱中間軸熱處理工位節(jié)拍時間為25.5 min,高淬透性8620H2鋼副箱中間軸的熱處理工位節(jié)拍時間可縮短為20.5 min,且考慮到齒頂應(yīng)力大、熱后齒部精度降低的問題,對碳勢、溫度進(jìn)行小幅度降低,并優(yōu)化淬火工藝;具體工藝參數(shù):工位節(jié)拍時間20.5 min,強(qiáng)滲溫度925 ℃,強(qiáng)滲碳勢1.15%C,擴(kuò)散溫度855 ℃,擴(kuò)散碳勢0.85%C,快攪速度1000 r/min,慢攪速度800 r/min,快攪時間240 s,可滿足生產(chǎn)要求。

        4)通過對不同淬透性級別8620H鋼在副箱中間軸上的應(yīng)用研究,可知高淬透性級別8620H2鋼適用于模數(shù)大(≥4.5)的齒輪、軸類零件,低淬透性級別8620H鋼適用于模數(shù)小(2~4.5)的齒輪、軸類零件。

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