王元棟，桂偉民，何亮亮，李 陽，海俠女，張曉菊

(陜西法士特齒輪有限公司，陜西 西安 710119)

17CrNiMo6鋼是齒輪傳動系統(tǒng)中常用的滲碳淬火材料之一，由于其滲碳淬火后具有良好的綜合性能，廣泛用于制造風(fēng)電、軌道交通等領(lǐng)域的齒輪[1-5]。經(jīng)滲碳淬火+低溫回火后，工件表層具有較高的硬度、耐磨性和接觸疲勞強(qiáng)度，表面硬度可達(dá)58～63 HRC、心部硬度可達(dá)35～42 HRC，滿足重載荷及沖擊作用下對軸類零件的性能要求。因而，17CrNiMo6鋼可作為變速器軸類零件材料使用。

隨著變速器向大扭矩、輕量化和高功率密度方向發(fā)展，亟需開發(fā)大扭矩副箱主軸材料。前期研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)[6]，軸類零件的心部硬度與零件的扭矩強(qiáng)度之間呈線性關(guān)系，如圖1所示。因此，可通過提高零件的心部硬度來提高靜扭強(qiáng)度。然而，零件心部硬度與材料的淬透性和滲碳淬火工藝有關(guān)，其中，C是影響材料淬透性的主要元素[7-8]。另外，為了防止心部硬度提高的同時導(dǎo)致脆性增強(qiáng)，添加微量Nb元素可以細(xì)化晶粒，減少零件脆性[9]。因此，本文主要研究碳含量和Nb微合金化對17CrNiMo6鋼組織和性能的影響，為變速器軸類零件的靜扭強(qiáng)度的提高提供思路。

圖1 心部硬度與屈服扭矩關(guān)系Fig.1 Relationship between core hardness and yield torque

1 試驗方法

17CrNiMo6鋼成分優(yōu)化的冶煉工藝為：電爐或轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉(LF)→真空脫氣(VD或RH)→連鑄，獲得材料A和材料B，其中材料B中添加了微量Nb。優(yōu)化后的化學(xué)成分見表1。由表1可知，成分優(yōu)化后材料A和材料B的碳含量均為要求的上限。

表1 材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

將試驗棒料加工成末端淬火試樣，如圖2所示。在DZJ-Z 型端淬機(jī)上進(jìn)行末端淬火試驗，淬火溫度為920 ℃。端淬試驗完畢后，依照標(biāo)準(zhǔn) GB 225—88《鋼的淬透性末端淬火試驗方法》的規(guī)定，在平行于試樣軸線方向磨制出兩個相互平行的平面，磨削深度為0.4～0.5 mm，然后沿此平面分別測量距淬火端面不同位置處的洛氏硬度。參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 230—91，采用HP-250型洛氏硬度計進(jìn)行洛氏硬度測量，繪制出試樣的端淬曲線。

對不同狀態(tài)的試樣進(jìn)行晶粒度表征，試樣經(jīng)水磨、機(jī)械拋光后，采用配比為苦味酸4.5 g、洗滌劑10 ml、水75 ml和乙醇20 ml的腐蝕劑進(jìn)行腐蝕。采用DMI 5000型金相顯微鏡觀察奧氏體晶粒形貌；利用截點法對奧氏體晶粒進(jìn)行評級，參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6392—2002《金屬平均晶粒度測量方法》繪制奧氏體晶粒長大趨勢曲線。

圖2 末端淬火試樣示意圖Fig.2 Schematic diagram of end quenched samples

采用ICHENLIN箱式爐滲碳進(jìn)行滲碳淬火，滲劑為氮氣甲醇和丙酮，溫度控制精度為±5 ℃，碳勢控制精度為±0.05%，爐內(nèi)碳勢均勻性為±0.05%，滲碳淬火工藝如圖3所示。試樣經(jīng)過粗、細(xì)砂紙打磨、拋光后，在5%HNO3+95%C2H5OH腐蝕劑中浸蝕5～10 s，然后用DMI 5000金相顯微鏡和QUANTA450型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣顯微組織；采用Tukon 2500型全自動顯微維氏硬度計對試樣的表面硬度和有效硬化層深進(jìn)行硬度梯度檢測，載荷為1 kg，滲碳硬化層界限值選擇513 HV；軸類零件的靜扭強(qiáng)度試驗設(shè)備，如圖4所示。

圖3 滲碳淬火工藝Fig.3 Carburizing and quenching process

圖4 軸類零件靜扭試驗臺Fig.4 Static torsional test bench for shaft parts

2 試驗結(jié)果

兩種材料的淬透性檢測結(jié)果見表2。由表2可知，材料A和材料B的淬透性均接近技術(shù)要求的上限甚至高于上限，且材料B的淬透性高于材料A，這說明添加微量Nb元素可提高材料的淬透性。

表2 材料淬透性檢測值(HRC)

對兩種材料的表面硬度、心部硬度、有效硬化層深和顯微組織進(jìn)行測試與分析，結(jié)果見表3。由表3可知，兩種材料的表面硬度、有效硬化層深、非馬氏體深度和表面殘余奧氏體含量基本一致，但兩種材料的心部硬度和晶粒度有所差別。材料A的心部硬度要低于材料B，表明通過調(diào)整C含量不僅可提高材料的淬透性，同時零件的心部硬度也得到相應(yīng)的提高，提高的幅度與零件的大小和模數(shù)有關(guān)；材料A的晶粒度要小于材料B，如圖5所示。另外，兩種材料的表層組織均為針狀馬氏體和少量的殘余奧氏體以及彌散顆粒狀碳化物，碳化物顆粒尺寸2～3 μm，心部組織均為板條狀馬氏體，如圖6所示。材料表面形成的彌散碳化物與工藝過程和合金類型有關(guān)[10～11]。17CrNiMo6鋼中的Cr含量較高，Cr是碳化物的形成元素，一部分Cr固溶到基體中，還有一部分Cr形成碳化物。另外，由于采用了滲碳空冷+二次淬火工藝，在滲層表面容易獲得彌散碳化物。高碳勢滲碳使得表層奧氏體中碳原子達(dá)到飽和或過飽和碳濃度，形成了析出碳化物的成分條件；降溫冷卻后，晶界周圍碳濃度較高，且合金原子易偏聚于晶界周圍，超過該溫度下的飽和碳濃度后，會沿著晶界析出細(xì)條狀或者網(wǎng)狀碳化物。滲碳時碳勢越高，晶界碳原子濃度則越高，形成的碳化物網(wǎng)越粗。重新加熱到奧氏體化溫度，組織中溶碳能力增強(qiáng)，沿著晶界的條狀碳化物不完全溶解，為了降低自由能，溶解的碳原子向晶內(nèi)短距離擴(kuò)散，形成濃度起伏。在碳濃度低的波谷區(qū)域，周圍奧氏體中的碳原子擴(kuò)散以保持濃度平衡；而在濃度高的波峰區(qū)域，當(dāng)碳濃度超過該溫度下的飽和碳濃度達(dá)到過飽和時，碳化物就會形核析出，并在快速淬火后以彌散分布的形式在材料中得以保留。

表3 滲碳淬火后材料的組織性能檢測結(jié)果

(a)材料A；(b)材料B圖5 滲碳淬火后材料的晶粒形貌(a)material A；(b)material BFig.5 Grain morphology of materials after carburizing and quenching

(a)材料A的表面組織；(b)材料B的表面組織；(c)材料A表面彌散碳化物；(d)材料B表面彌散碳化物；(e)材料A的心部組織；(f)材料B的心部組織圖6 滲碳淬火后材料的顯微組織(a)surface microstructure of material A; (b)surface microstructure of material B; (c)surface dispersed carbide of material A; (d)surface dispersed carbide of material B; (e)core microstructure of material A; (f)core microstructure of material BFig.6 Microstructure of materials after carburizing and quenching

圖7為軸類零件的靜扭試驗結(jié)果，材料A的靜扭屈服強(qiáng)度為62.09 kN·m，極限強(qiáng)度為64.55 kN·m；材料B的靜扭屈服強(qiáng)度為74.43 kN·m，極限強(qiáng)度為75.97 kN·m。從圖7中還可以看出，當(dāng)達(dá)到最大靜扭值后曲線仍較為平緩，說明兩種材料均具有較好的韌性。

(a)材料A；(b)材料B圖7 副箱主軸零件靜扭試驗(a)material A；(b)material BFig.7 Static torsion tests of main shaft parts of auxiliary box

圖8為副箱主軸零件單體靜扭斷裂后的形貌圖。由圖8可知，零件斷裂位置為副箱主軸與法蘭盤相配合的退刀槽頂部，這與計算仿真結(jié)果(見圖9)相吻合。這是因為該處的退刀槽花鍵易產(chǎn)生應(yīng)力集中，且小花鍵處的直徑比大花鍵處小，當(dāng)副箱主軸承受的外力超過其屈服強(qiáng)度時，則易發(fā)生斷裂。

圖8 副箱主軸零件靜扭斷裂Fig.8 Static torsion fracture of main shaft parts of auxiliary box

圖9 副箱主軸零件靜扭結(jié)果仿真圖Fig.9 Simulation diagram of static torsion results of main shaft parts of auxiliary box

由上述分析可知，通過化學(xué)成分優(yōu)化可以提高材料的淬透性和心部硬度，從而提高零件的靜扭強(qiáng)度。

3 結(jié)論

1)通過化學(xué)成分優(yōu)化可提高17CrNiMo6材料的淬透性；

2)滲碳正火+二次淬火處理后，材料的表層組織為針狀馬氏體、少量的殘余奧氏體和彌散顆粒狀碳化物，碳化物顆粒尺寸為2～3 μm，而心部組織為板條狀馬氏體；

3)添加微量Nb元素能細(xì)化合金晶粒尺寸，可提高軸類零件的的靜扭強(qiáng)度。