朱科，史仁貴，王挺

西安煤礦機(jī)械有限公司 陜西西安 710200

1 序言

17CrNiMo6為低碳合金鋼，符合德國(guó)DIN 17210—1986《滲碳鋼.交貨技術(shù)條件》要求，具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，且經(jīng)濟(jì)性好，通常作為齒輪材料，一般經(jīng)過(guò)滲碳、淬火處理過(guò)程。某重載齒輪（見(jiàn)圖1）設(shè)計(jì)選用17CrNiMo6鋼，熱處理要求：輪齒表面滲碳，齒面硬度（60±2）HRC，有效硬化層深度（2.2±0.2）mm，齒心部硬度（38±3）HRC，其熱處理過(guò)程如圖2所示。在實(shí)際生產(chǎn)制造中存在以下幾個(gè)問(wèn)題。

圖1 重載齒輪

圖2 熱處理工藝過(guò)程

1）解剖齒輪進(jìn)行金相分析，存在角塊狀碳化物，且心部組織存在游離鐵素體。

2）齒心部硬度較低，只有33～35HRC，進(jìn)行力學(xué)性能分析，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度低于設(shè)計(jì)要求。為解決上述問(wèn)題，對(duì)17CrNiMo6鋼齒輪滲碳、淬火工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，以期確保齒輪各項(xiàng)指標(biāo)滿足服役要求。

2 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)用材料

齒輪材料試驗(yàn)選用DIN 17210—1986《滲碳鋼交貨技術(shù)條件》中17CrNiMo6低碳合金鋼，化學(xué)成分見(jiàn)表1（由Olmypus型直讀光譜儀測(cè)定）。

表1 17CrNiMo6鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.2 試驗(yàn)方法

生產(chǎn)工藝流程：鍛造→正火→粗車→無(wú)損檢測(cè)→半精車→滾齒→滲碳→高溫回火→半精車→整體淬火→低溫回火→精加工。齒輪調(diào)整優(yōu)化后滲碳、高溫回火、淬火、回火工藝如圖3所示。對(duì)比原熱處理工藝過(guò)程，降低了滲碳強(qiáng)滲和擴(kuò)散碳勢(shì)，提高了淬火溫度，延長(zhǎng)了保溫時(shí)間（見(jiàn)表2）。

圖3 優(yōu)化后齒輪滲碳、高溫回火、淬火、回火工藝

表2 熱處理工藝過(guò)程各階段參數(shù)對(duì)比

2.3 試驗(yàn)檢測(cè)

本試驗(yàn)對(duì)工藝參數(shù)調(diào)整前和調(diào)整后熱處理的齒輪進(jìn)行解剖檢測(cè)，分別在1#、2#齒輪輪齒上線切割取樣雙齒形且長(zhǎng)度為35mm的試樣，采用洛氏硬度計(jì)和顯微維氏硬度計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，檢測(cè)表面硬度、齒心部硬度、有效硬化層深度，洛氏硬度計(jì)的加載力為150kg（1kg＝9.8N），加載時(shí)間為15s，顯微維氏硬度計(jì)的加載力為1kg，加載時(shí)間為10s。將試樣研磨拋光后用4%硝酸酒精對(duì)其進(jìn)行腐蝕，然后在光學(xué)顯微鏡下觀察，依據(jù)JB/T 6141.3—1992《重載齒輪 滲碳金相檢驗(yàn)》規(guī)定進(jìn)行金相組織檢測(cè)。

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 表面硬度和齒心部硬度檢測(cè)

分別在1#、2#試樣上檢測(cè)齒面硬度和齒心部硬度，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 齒面和齒心部硬度檢測(cè)結(jié)果 （HRC）

由表3可知，執(zhí)行原工藝過(guò)程時(shí)1#試樣齒面硬度符合設(shè)計(jì)要求，但齒心部硬度低于設(shè)計(jì)要求；執(zhí)行優(yōu)化后工藝過(guò)程時(shí)，2#試樣齒面硬度和齒心部硬度均符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 有效硬化層深度檢測(cè)

分別對(duì)1#、2#試樣進(jìn)行有效硬化層深度檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 硬度梯度分布

根據(jù)硬度梯度分布可知，17CrNiMo6鋼齒輪經(jīng)上述兩種熱處理工藝過(guò)程后，有效硬化層深度均符合設(shè)計(jì)要求，無(wú)明顯層深差異，但1#試樣表層硬度和過(guò)共析層硬度均較高。

3.3 金相組織檢測(cè)

對(duì)1#、2#試樣進(jìn)行金相組織檢測(cè)，結(jié)果如圖4～圖7所示。

圖4、圖5所示為1#試樣滲層組織和齒心部組織，滲層組織為隱針和細(xì)針狀馬氏體、殘留奧氏體1級(jí)、角狀碳化物4級(jí)，齒心部組織為低碳馬氏體加較多游離鐵素體。

圖4 1#滲層組織（500×）

圖5 1#齒心部組織（500×）

圖6、圖7所示為2#試樣滲層組織和齒心部組織，滲層組織為隱針馬氏體、少量殘留奧氏體、粒狀碳化物1級(jí)，齒心部組織為低碳馬氏體。

圖6 2#滲層組織（500×）

圖7 2#齒心部組織（500×）

3.4 力學(xué)性能試驗(yàn)

分別在1#、2#齒輪上依據(jù)GB/T 2975—2018《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》[1]制取性能試樣，力學(xué)性能試驗(yàn)依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行，沖擊試驗(yàn)按GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 17CrNiMo6鋼齒輪力學(xué)性能

從表5可知，17CrNiMo6鋼齒輪經(jīng)上述兩種熱處理工藝過(guò)程后，1#試樣抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，2#試樣各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

4 討論

4.1 滲碳過(guò)程參數(shù)

一般而言，滲層碳含量與鋼材合金種類及其含量關(guān)系密切，碳含量隨鋼鐵合金系數(shù)提高而增加，17CrNiMo6鋼含有較高的Cr、Ni、Mo元素，利用對(duì)數(shù)函數(shù)可計(jì)算出17CrNiMo6鋼的合金系數(shù)約為1.15，鋼材合金系數(shù)越大，表明材料的吸碳能力越強(qiáng)[2]，表面碳含量越高，當(dāng)表面碳含量達(dá)到飽和狀態(tài)后，表面容易出現(xiàn)炭黑、碳化物超差及組織粗大等問(wèn)題。因此，在滲碳工藝參數(shù)制定時(shí)，必須最優(yōu)控制強(qiáng)滲期和擴(kuò)散期碳勢(shì)濃度。

對(duì)比分析圖4和圖6以及滲碳工藝參數(shù)可知，通過(guò)降低滲碳過(guò)程強(qiáng)滲期和擴(kuò)散期碳勢(shì)，可優(yōu)化控制滲層組織的碳化物級(jí)別，確保其符合JB/T 13027—2017《重載齒輪 滲碳熱處理技術(shù)要求》的規(guī)定[3]。

4.2 淬火過(guò)程參數(shù)

滲碳后淬火加熱溫度的確定原則是，在保證心部獲得最佳性能的前提下，盡可能地使?jié)B碳層獲得高硬度和良好組織，工件心部應(yīng)為細(xì)晶粒組織，不允許有大塊鐵素體存在[4]；而對(duì)心部力學(xué)性能要求較高的齒輪，在符合齒面強(qiáng)度要求的前提下，可適當(dāng)提高淬火溫度至Ac3以上，以確保心部力學(xué)性能。

對(duì)比分析1#、2#齒輪試驗(yàn)結(jié)果，在滿足齒面硬度（60±2）HRC的前提下，通過(guò)適當(dāng)提高淬火溫度和延長(zhǎng)保溫時(shí)間，可提高齒心部硬度至39HRC左右，同時(shí)滿足圖樣力學(xué)性能技術(shù)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）通過(guò)降低17CrNiMo6鋼滲碳強(qiáng)滲期和擴(kuò)散期碳濃度，解決了碳化物級(jí)別高的問(wèn)題。

2）優(yōu)化17CrNiMo6鋼淬火溫度為830℃，可提高齒心部硬度，同時(shí)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度也明顯提高，滿足了齒輪服役要求。