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锻造高速重载齿轮的热处理工艺

 18Cr2Ni4WA是高速重载渗碳齿轮用钢,在渗碳淬火的过程中容易形成大量的残留奥氏体,从而使硬度降低。本文结合生产实际需要,通过可控气氛多用炉渗碳、淬火、高温回火、二次淬火、回火的过程,使零件各项指标达标。



1.生产零件的材料及热处理要求

(1)材料

齿轮(如图1)设计所用材料为18Cr2Ni4WA其主要化学成分和临界点见表1,齿轮要求整体渗碳,渗碳层深磨削表面≥0.7mm,非磨削表面1.0~1.3mm,表面硬度≥58HRC,齿轮及花键参数见表2。

锻造齿轮

 

表1  18Cr2Ni4WA齿轮材料化学成分与临界点  

 

化学成分(质量分数)(%)

临近值/℃

项目

C

Si

Mn

Cr

Ni

W

Ac1

Ac3

Ms

Mf

数值

0.18

0.26

0.46

1.64

4.1

1.05

695

800

310

250

 表2 齿轮及花键参数表

 

模数

齿数(Z)

热后/mm

齿轮

3.5

23

公法线W3=26.78-26.86

花键

1

50

M(∮2)=46.82-46.95

(2)生产及检测设备

Aichelin4/2型多用炉,有效尺寸700mm×1300 mm×850mm,最高工作温度950℃,加热功率140kW,最大装炉量1000kg。金相显微镜及显微硬度计。



(3)齿轮材料特性分析

18Cr2Ni4WA钢合金元素总含量大于5%,属高合金渗碳钢。该钢种淬透性高,具有优良的综合力学性能,特别是Ni的含量较高,使钢具有良好的强韧性和淬透性。18Cr2Ni4WA钢的合金元素Cr、Ni、W均能推迟奥氏体转变,尤其是元素W,强烈地推迟珠光体转变,所以该钢过冷奥氏体在珠光体区间的稳定性很高,即使空冷也发生贝氏体转变。表层渗碳后,由于碳和合金元素的综合作用,使贝氏体转变曲线大大右移,贝氏体转变C曲线“鼻尖”的孕育期由渗碳前的十几秒推迟到二十几分钟,可以空淬成马氏体或贝氏体。



该材料在渗碳处理后,表层的碳及其他合金元素大量溶入到奥氏体中,显著提高了奥氏体的合金化程度,其渗碳层与心部的马氏体转变点(Ms)为310℃,而渗碳层的马氏体转变点(Ms)降至80~90℃,这样就大大提高了过冷奥氏体的稳定性,经渗碳空冷后表层组织为马氏体及大量残留奥氏体,从而影响淬火后的硬度。要消除大量残留奥氏体,不能像一般低合金渗碳钢那样采用直接淬火法,相反,经二次淬火反而使残留奥氏体增多导致硬度下降。对这类高合金渗碳钢有其独特的处理方法,即渗碳后于650℃高温回火。回火时,在一定的温度下,从残留奥氏体中析出碳化物的过程是一个原子的扩散过程。温度越高越有利于扩散,析出碳化物增多,使残留奥氏体的过饱和度减小,有利于残留奥氏体转变。但回火温度也不能太高,因为高碳表面层的A,温度约为700℃,过高的回火温度容易引起相变,反而使奥氏体中溶入更多的碳和合金元素,提高了奥氏体的稳定性,增加残留奥氏体量。



(4)热处理技术要求分析

根据以往齿轮公法线及花键M值的变形规律,初步确定渗碳淬火前公法线留余量0.4mm,M值热前控制在M(∮2)=46.86-46.93,热处理层深按1.0~1.3mm控制,为控制花键的变形量,确定零件渗碳,高温回火后插花键再进行淬火的工艺,且在粗加工后将零件调质至30~35HRC,这样既有助于改善切削性、提高零件表面加工精度,又能最大限度地减少粗加工中产生的残余应力,为后期的渗碳、淬火提供良好的条件,从而控制变形量。经综合分析最终确定零件的主要工艺流程为粗加工→调质处理→精加工→滚齿→渗碳淬火,高温回火→车碳层→插花键→淬火,低温回火→精磨(外齿轮)。



2.生产工艺结果与讨论

(1)热处理生产工艺

检查试样用同炉的∮32mm和∮16mm的圆棒试样,∮32mm圆棒试样用于检测心部硬度,∮16mm的圆棒试样用于检测淬硬层深。

①渗碳:930℃强渗期2.5~3h,碳势1.18%CP左右,扩散期1.5h,碳势0.68%CP左右。

②淬火:840℃,保温40min,碳势0.68%CP,淬火油温65℃,淬火时间40min。

③高温回火:650℃保温2h,冷至550℃出炉。

④再次淬火:温度790℃,碳势0.85%CP,保温时间1.5h,用分级淬火油,淬火油温65℃,淬火时间30min。

⑤低温回火:根据实测硬度值确定为150℃,保温4h。

⑥抛丸。



(2)试样检测结果

试样的金相显微组织如图2所示, 组织为隐针马氏体+少量铁素体+少量残留奥氏体。

锻造齿轮金相组织

在实物零件的齿面和端面检测硬度基本在58.2~59.3HRC,其中齿面硬度稍高。



在四件齿轮的端面分别敲钢印号1~4,经热后测量公法线和内花键M值都满足要求,其中公法线跳动量在0.03~0.07mm变动(见表3),M值跳动量在0.03~0.06mm(见表4)。

表3  齿轮公法线热后数据表(mm)

 

热后公法线W

W平均值

跳动

齿轮1

26.80

26.80

26.84

26.85

26.81

26.81

26.818

0.05

齿轮2

26.81

26.79

26.79

26.82

26.81

26.81

26.805

0.03

齿轮3

26.78

26.78

26.80

26.82

26.84

26.84

26.81

0.06

齿轮4

26.81

26.80

26.78

26.78

26.85

26.83

26.808

0.07

表4花键M值热后数据表   (mm)

 

热后M值

M平均值

跳动

齿轮1

46.84

46.84

46.89

46.88

46.863

0.05

齿轮2

46.85

46.86

46.90

46.89

46.875

0.05

齿轮3

46.83

46.85

46.86

46.83

46.843

0.03

齿轮4

46.86

46.86

46.91

46.92

46.885

0.06

经检测,齿轮的各项热处理指标都合格,通过此热处理工艺,经过1年多时间,公司两种新产品W25、W33的试制统计,热处理一次合格率都在98%以上,取得了满意的效果。



3.结语

为了满足18Cr2Ni4WA齿轮的技术条件,需要对材料的特性、机加工工艺流程以及渗碳和淬、回火的全过程进行细致的分析,通过采取以下针对性的措施,使零件的技术要求控制在合格范围内。



(1)增加调质处理,改善切削性,提高零件表面加工精度,消除粗加工中产生的残余应力。



(2)为保证零件的金相指标和控制花键变形量,可以采用先渗碳淬火,高温回火后返冷加工插花键,然后返热进行二次淬火,低温回火的工艺。

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