17Cr2Ni2Mo钢制齿轮渗碳工艺研究及应用.docx

17Cr2Ni2Mo钢制齿轮渗碳工艺研究及应用马钢轧机用主减速机是由意大利波梅尼(POMINI)公司设计的。其减速机齿轮材料选用DIN17CrNiMo6。其机械性能要求如表1所示。表2为其热处理技术要求。表1马钢减速机齿轮设计要求的机械性能机械性能s/MPab/MPa/%/%AK/J设计要求107212001447860100118表2马钢减速机齿轮热处理技术要求热处理技术要求渗碳淬火1.有效硬化层深：d=(0.150.25)MnMn法向模数2.齿面硬度：HRC 5860心部硬度：HRC 30453.金相组织：表层马氏体+残余奥氏体14级合格表层碳化物13级合格心部铁素体14级合格齿轮在工作时，既要承受较大的冲击载荷，又要承受交变弯曲应力和接触应力。因此，齿轮应具有较高的强度、冲击韧性和良好的抗疲劳性能。当齿轮付啮合时，由于接触点处的压强和摩擦系数均很大，使得接触区处产生严重磨损，因此，齿面必须有很好的耐磨性1。考虑到这些因素，我国在齿轮设计的一般原则中确定齿轮的安全系数应为2.53.5。而按照表1、表2的数据，对该减速机的齿轮进行强度验算，发现其中约有三分之一的齿轮(轴)，安全系数小于2.5。较低的安全系数降低机器的使用寿命，因此，为保证齿轮正常工作，提高齿轮的使用寿命，需要选择性能适宜的材料，并确定最佳的热处理工艺方案。1试验材料及试验方法试验材料选择17Cr2Ni2Mo钢。其化学成分见表3。表317Cr2Ni2Mo钢的化学成分元素CNiCrMoMnSi含量/%0.140.191.41.71.51.80.250.360.40.60.190.35用一端淬火法测定17Cr2Ni2Mo钢的淬透性曲线。采用气体渗碳法中的恒温变碳势法进行渗碳。将渗碳后的试样做机械性能测试及金相组织观察，机械性能试样为10mm，标距100mm的圆棒试样。确定最佳热处理工艺后，进行生产性试验。 2试验结果与分析2.1淬透性用一端淬火法测得17Cr2Ni2Mo钢的淬透性曲线如图1所示。图1中同时示出了我国常用渗碳钢20CrMnMo的淬透性曲线。可见，17Cr2Ni2Mo钢的淬透性明显高于20CrMnMo钢。图1淬透性曲线2.2渗碳气体渗碳常用方法有三种：一段渗碳法、分段渗碳法和恒温变碳势渗碳法。经过分析比较，并结合现有的试验设备(可控气氛渗碳炉)，本试验确定采用恒温变碳势方法进行渗碳。此过程为强渗接扩散，即强渗期采用较高碳势(碳势控制在1.1%1.4%)，使齿轮表面强烈增碳，造成从齿面到心部较高的碳浓度梯度。扩散期碳势控制在0.75%0.85%，此时介质碳势低于齿轮表层碳浓度，扩散期中，齿轮表面碳原子在较高碳浓度梯度作用下，由表向里扩散，另一部分则离开表层进入气体介质中。扩散期使得渗层深度增加，表层碳浓度降低，浓度梯度下降，强渗期与扩散期的时间长短依据所要求的硬化层深度来控制。恒温变碳势工艺如图2所示。图2恒温变碳势渗碳工艺曲线2.3渗碳后热处理零件渗碳后即进行淬火(油淬)，以提高渗层表面的强度、硬度和耐磨性，同时提高心部的强度和韧性，并细化晶粒2。淬火前进行高温回火，使组织更加均匀，为淬火做好组织上的准备。渗碳后淬火加热温度的确定原则是，在保证心部获得最佳性能的前提下，尽可能使渗碳层获得高硬度和良好组织。淬火温度低则心部性能差，而淬火温度高时渗层中易出现粗大马氏体和大量残余奥氏体3。为确定最佳的淬火温度，本试验进行了一组淬火温度与硬度，淬火温度与机械性能的对比试验，其结果见表4，表5。表4渗碳后不同温度下淬火的硬度值加热温度/790810830850880900硬度HRC326164646057注：各加热温度下的保温时间均为30min。 表5渗碳后不同淬火工艺的机械性能渗碳后热处理s/MPab/MPa/%/%K/J810淬火200回火790560102840淬火200回火12601430865125860淬火200回火13401430963125890淬火200回火13351430963115注：淬火加热保温时间为30min，回火时间为60min。 分析比较表4、表5的结果可确定淬火温度为840时，可获得高的渗层硬度(HRC64)好的机械性能(b：1430MPa，s：1260MPa，：8%，：65%，AK：125J)。为尽可能消除应力，使残余奥氏体最大限度地转化为回火马氏体，除进行一次200回火，再加一次190回火。经840淬火，两次回火后的金相组织见图3、图4。图中可见，所获得的渗层组织及心部组织良好，均匀，符合要求。图3表层马氏体+残余奥氏体1级碳化物2级图4心部铁素体2级2.4确定最佳渗碳淬火工艺综合以上试验结果，17Cr2Ni2Mo钢的最佳渗碳淬火工艺可确定为如图5所示。其中700高温回火是为淬火做组织准备，而二次回火则可最大程度地稳定组织。图517Cr2Ni2Mo钢渗碳淬火工艺曲线3生产性试验及试生产图6为17Cr2Ni2Mo钢制齿轮轴。按照齿轮的性能和技术要求，齿轮的生产工艺流程可确定为：锻造正火粗加工调质铣齿渗碳淬火磨齿装配。其中锻造后正火及粗加工后的调质为预先热处理。锻后正火的目的是消除锻后应力，正火温度定为890。调质处理则可使钢在渗碳前获得良好的机械性能，以减小渗碳淬火过程中的齿轮变形。试验中选定的调质工艺为：加热至860，保温后油冷，再660回火。图6齿轮轴生产性试验时，渗碳前，除齿部外，其余部位均采取防渗措施。按图5所示的渗碳淬火工艺进行处理后，齿面硬度为HRC5860，心部硬度为HRC33.737.5，有效硬化层深度1.62.0(mm)，渗层组织及心部组织如图3、图4所示，机械性能测试结果见表6。表617Cr2Ni2Mo钢制齿轮轴渗碳淬火后的机械性能s/MPab/MPa/%/%AK/J125614378681234结论(1)在齿轮的安全系数较小时，应选用综合性能更好的17Cr2Ni2Mo钢制造。(2)17Cr2Ni2Mo钢渗碳后最佳的淬火温度为840。(3)按图5所示的渗碳淬火工艺处理后，17Cr2Ni2Mo钢制齿轮的齿面硬度为HRC5860，心部硬度为HRC33.737.5，满足设计要求，实现了该齿轮用钢的国产化。郭雅萍东北大学材料与冶金学院103信箱沈阳市110006作者单位：郭雅萍尹立新李友