20Cr2Ni4A材料齒輪熱處理工藝改進(jìn)

■邱永紅，莫義明

20Cr2Ni4A材料齒輪熱處理工藝改進(jìn)

■邱永紅，莫義明

材料為20Cr2Ni4A的齒輪要求滲碳、淬火處理，表面硬度58～62HRC，心部硬度33～45HRC，有效硬化層深1.6～2.2mm。根據(jù)以往的淬火工藝一次淬火與二次淬火表面硬度均難穩(wěn)定達(dá)到工藝要求，通過多次淬火工藝試驗(yàn)改進(jìn)淬火末冷卻方式，目前已能通過一次淬火穩(wěn)定保證產(chǎn)品表面硬度，產(chǎn)品其他各項(xiàng)滲碳淬火質(zhì)量指標(biāo)也均滿足要求。

20Cr2Ni4A鋼Cr、Ni含量特別高，淬透性好，具有良好的綜合力學(xué)性能，一般用于制造重要零件，如重載、大模數(shù)齒輪。齒輪示意如圖1所示。技術(shù)要求：齒輪材料為20Cr2Ni4A，應(yīng)符合GB3077《合金結(jié)構(gòu)鋼》的要求；滲碳層深1.6～2.2mm；表面硬度58～62HRC，心部硬度34～45HRC；金相組織符合國家與行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

1. 傳統(tǒng)的滲碳淬火工藝

齒輪坯料為鍛坯，用該種鋼制造齒輪，我公司以往采用傳統(tǒng)的熱處理工藝有一次淬火與二次淬火兩種。

（1）一次淬火工藝 預(yù)備熱處理采用粗車后調(diào)質(zhì)（調(diào)質(zhì)工藝淬火溫度提高）+退火處理。退火的目的主要是考慮機(jī)加工。滲碳淬火工藝路線：滲碳+緩冷+高溫回火+淬火+二次低溫回火，具體滲碳淬火工藝曲線，圖2為滲碳工序，圖3為淬火工序。

（2）二次淬火工藝 預(yù)備熱處理采用粗車后正火+退火處理。滲碳淬火工藝路線：滲碳+降溫淬火+高溫回火+淬火+二次低溫回火，圖4為滲碳工藝，圖5為淬火工藝。

（3）存在問題 一次淬火工藝后產(chǎn)品硬度55～58HRC，約5 0%產(chǎn)品需冷凍處理；二次淬火工藝產(chǎn)品淬火后硬度53～56HRC，均需冷處理。淬火后冷處理，雖硬度能滿足技術(shù)要求，但冷處理過程中殘留奧氏體瞬間轉(zhuǎn)換成馬氏體，脆性比較大，易產(chǎn)生裂紋，風(fēng)險(xiǎn)較大，淬火后必須做強(qiáng)化噴丸處理，成本較高。同時(shí)，目前有些用戶該種材料齒輪明確要求淬火后不允許冷處理。為了解決該問題，我們通過反復(fù)試驗(yàn)，最終通過采取一次淬火工藝改變淬火末冷卻方式解決了這一難題。

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

2. 改進(jìn)后的熱處理工藝

為了節(jié)省成本，我公司針對一次淬火工藝進(jìn)行了改進(jìn)。因公司滲碳淬火爐有箱式多功能爐與井式滲碳爐兩種，為了滿足生產(chǎn)需要，我們分別在這兩種滲碳淬火爐中進(jìn)行了試驗(yàn)。具體方案如下：

（1）箱式多功能爐淬火改進(jìn)工藝方案 主要改進(jìn)點(diǎn)為入油淬火后及時(shí)出油，在前室通氮?dú)饧铀倮鋮s。箱式多功能爐屬自動(dòng)控制設(shè)備，淬火后氮?dú)忾y自動(dòng)關(guān)閉，通過我公司的設(shè)備改造，實(shí)現(xiàn)了淬火后前室通氮?dú)獾墓δ堋＞唧w改進(jìn)后淬火工藝1曲線如圖6所示。

（2）井式滲碳爐淬火改進(jìn)工藝方案 主要改進(jìn)點(diǎn)為入油淬火后及時(shí)出油，瀝油5min后水冷20min，具體改進(jìn)后淬火工藝2曲線如圖7所示。

（3）改進(jìn)前后的效果 按上述改進(jìn)前后的四種熱處理工藝方案進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中對隨爐試棒（試棒φ25mm×100mm）及產(chǎn)品本體進(jìn)行硬度檢測，結(jié)果見附表。

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用改進(jìn)后的1、2種方案，齒輪質(zhì)量較穩(wěn)定，表面硬度58.3～61.9HRC，心部硬度39～41HRC，滲碳層深2.0mm，馬氏體2級，殘留奧氏體2級，碳化物3級，心部組織2級，心部為板條狀馬氏體+少量鐵素體，變形小，均能滿足技術(shù)要求。

3. 工藝分析

20Cr2Ni4A鋼熱處理，需采用特殊的熱處理工藝，即通過高溫回火消除殘留奧氏體，使馬氏體和殘留奧氏體分解為回火索氏體，降低鉻、碳的含量。重新加熱淬火時(shí)，由于奧氏體中溶入的鉻、碳等含量減小，穩(wěn)定性降低，淬火后殘留奧氏體減小，淬火后通氮?dú)饣蛉胨铀倮鋮s，使淬火后部分殘留奧氏體轉(zhuǎn)換成馬氏體，從而增加了產(chǎn)品表面硬度。

在滲碳層的深度和碳濃度符合要求后，選擇恰當(dāng)?shù)拇慊饻囟龋傻玫礁玫牧W(xué)性能，提高齒輪的使用壽命。由于20Cr2Ni4A鋼臨界點(diǎn)Ac1和Ac3之間溫度范圍較窄，Ac3為780℃，故可選擇820℃溫度淬火，即可保證表面及心部硬度，同時(shí)減小齒輪熱處理變形。

圖6 改進(jìn)后淬火工藝1

圖7 改進(jìn)后淬火工藝2

經(jīng)試驗(yàn)表明，原一次淬火工藝：淬火進(jìn)行金相組織檢查發(fā)現(xiàn)殘留奧氏體較多，致使表面硬度較低（55～58HRC）；原兩次淬火工藝：滲碳后冷卻到850℃直接淬火后，進(jìn)行金相組織檢查殘留奧氏體仍較多，一般在4～5級，碳化物3～4級，經(jīng)第二次淬火后金相組織檢查殘留奧氏體一般在4～5級，碳化物2～3級，硬度更低（53～56HRC）。新工藝淬火后，經(jīng)金相組織檢查發(fā)現(xiàn)殘留奧氏體一般在2～3級，碳化物3～4級。因此新工藝淬火后主要是通過減少殘留奧氏體來提高產(chǎn)品硬度。由于我們檢驗(yàn)分析能力水平有限，是否有其他方面的原因需熱處理專家做進(jìn)一步分析。齒輪裝機(jī)兩年多，運(yùn)行良好，從未發(fā)生質(zhì)量事故，得到用戶好評，現(xiàn)已批量生產(chǎn)，獲得了滿意的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

四種滲碳、淬火工藝產(chǎn)品表面硬度　　（HRC）

邱永紅、楊利，株洲九洲傳動(dòng)機(jī)械設(shè)備有限公司。