齿轮用22CrNi2MoNbH钢的渗碳工艺.doc

大马力推土机终传动齿轮承受重载荷，要求高的接触疲劳强度和齿根弯曲强度。通过测试分析，选择使用保证淬透性脱气22CrNi2MoNbH，并确定了渗碳、淬火热处理工艺，从而达到图样各项设计指标要求。美国卡特D6D、D7G履带式推土机在一般工况条件下的设计寿命为10000h，该公司生产D9H推土机设计使用寿命25000h，具有高的性价比。主要件、关键件(变速箱、终传动)的使用寿命也应达到或超过整机的设计寿命。开发新产品所使用齿轮大部分采用渗碳淬火热处理来达到提高寿命。齿轮寿命主要取决于原材料冶金质量、热处理工艺及达到结果、齿轮加工精度。大马力推土机终传动的齿轮要求传动重载荷，受空间影响，齿轮的尺寸小，模数大。设计要求小齿轮轴(模数12mm、齿数12、分度圆直径144mm、齿宽124mm)表面硬度6064HRC、硬化层深度2.22.8mm、齿根硬化层深度1.5mm以上、心部硬度269388HB，原先使用20CrMoH钢，经渗碳淬火后，心部硬度低，达不到设计要求。通过查找资料分析、研究，认为确定使用22CrNi2MoNbH钢进行试制。1、成分及淬透性测试与分析齿轮的抗弯曲疲劳能力、抗接触疲劳能力、齿轮的啮合精度三大要素，决定了齿轮的寿命。根据GB/T52162004保证淬透性结构钢要求，国内载重齿轮选用20CrNi2MoA、20CrNi2MoH钢材，对于载重齿轮为了提高心部硬度，要提高齿轮材料的碳含量，一般控制碳含量在0.20%0.25%(质量分数，下同)，比20CrNi2MoH钢的0.17%0.23%稍高。而含碳量过高，使得齿轮渗碳淬火畸变大。Ni、Mo合金元素具有很强的抗氧化能力，Cr元素次之，Mn元素抗氧化能力弱，Si元素最弱。如果渗碳炉中氧势比较高，在高温渗碳过程中，氧原子通过晶界扩散到齿轮表面，将使易氧化的合金元素变成氧化物，丧失合金化能力，降低渗碳层的淬透性；齿轮淬火后表面非马氏体组织超标，接触疲劳强度降低，因此在齿轮钢中提高抗氧化的Ni、Mo合金元素含量。在钢中加入微合金元素Nb，Nb能与N、C结合，形成氮化物、碳化物，可显著提高再结晶温度，阻止奥氏体晶粒的长大，从而细化晶粒，改善材料的性能。钢材通过脱气处理，使得非金属夹杂物的尺寸减小，级别提高，能够显著提高齿轮接触疲劳强度。钢材达到淬透性带的宽窄、大小影响齿轮的热处理畸变以及齿轮的心部硬度，淬透性带要比标准要求范围小得多，这主要是钢材的冶炼质量提高，化学成分控制严格，波动小的结果。考虑齿轮在渗碳及淬火过程中的畸变，20CrMoH、22CrNi2MoNbH钢按美国C型缺口式样经渗碳、淬火后，测得的平均畸变率d分别为3.89%、2.54%3。对于模数是12mm的齿轮，通常淬透性值以J9的大小最为关键，J9=3042HRC比较合适，当J942HRC时，材料在渗碳淬火后，不仅畸变量大，而且在使用过程中易产生脆性断裂。淬透性带越窄越好，便于降低热处理畸变。参考日本小松公司使用SNCM420H-K钢材，并与抚顺特钢公司确定为22CrNi2MoNbH钢，通过电炉冶炼并进行炉外脱气精炼。2、热处理工艺参数确定2.1、齿轮的工序流程锻造毛坯毛坯等温退火初精加工齿轮齿轮渗碳高温回火齿轮加工(螺纹)齿轮淬火齿轮低温回火精磨齿轮。2.2、热处理工艺文献对含Nb的20CrNi2Mo钢分别进行880、900、920、940、960温度下保温1h后淬水，之后测奥氏体晶粒度，在920之前晶粒度无变化，940及960晶粒有长大，在920保温10h后晶粒没有发生明显的长大，晶粒度为89级。2.3、试验结果毛坯经等温退火后的硬度为156207HB，齿坯具有良好的切削加工性能，能够减少刀具的磨损，延长刀具的寿命。还有稳定渗碳淬火时的畸变。齿轮渗碳及淬火在易普森多用炉中进行的。经长时间渗碳后，要求达到渗碳深度2.43.0mm，用维氏硬度计进行检测，达到2.6mm，按550HV处的碳浓度w(C)=0.4%，测得表面碳浓度。3、结论1)22CrNi2MoH钢的化学成分、淬透性、夹杂物及晶粒度等指标满足大型重载齿轮的设计要求，其制作齿轮各项内在质量指标达到重载齿轮的质量要求。