降低18CrNiMo7-6錐齒輪軸滲碳淬火應力

■張波，劉成

我公司主要生產礦用輸送機、轉載機、破碎機、減速器等設備，在錐齒輪軸的生產制造上主要使用材料18Cr Ni Mo7-6，從礦方使用情況及多次三包產品缺陷分析，我們得出的結論是，現行工藝存在一定的缺陷，未能最大限度地降低18Cr Ni Mo7-6錐齒輪軸滲碳淬火應力，造成使用過程中應力釋放產生斷裂。通過試驗，在現行滲碳工藝的基礎上，調整滲碳后的淬火工藝參數，主要是調整淬火溫度，增加預冷，調整冷卻時間，減小冷卻強度，適當延長均溫時間。提高二次回火溫度等，逐步改進試驗參數。

表1 調整前后工藝參數及滲碳淬火隨爐試樣金相組織

1. 第一階段工藝試驗

調整淬火溫度，增加預冷，降低冷卻強度。

（1）試驗參數 試驗參數見表1，共試驗4爐。

（2）試驗結果分析 從結果看出：第一爐隨爐試塊結果與原工藝相比，馬氏體及殘留奧氏體級別雖然合格，但降低3個級別；第二爐，提高淬火溫度，延長緩冷時間來提高冷卻速度，金相組織理想；第三爐，借鑒對1件通裂軸的分析，提高出油溫度，降低淬火前的心部溫度，減小淬火應力，將均溫時間由30min延長至60min，縮短冷卻時間，提高油溫，降低冷卻速度，馬氏體及殘留奧氏體仍然為4級；第四爐，取消預冷工序，降低油溫，馬氏體及殘留奧氏體仍為4級。

4爐中只有第二爐金相組織最好，主要是因為第二爐的熱量最小，預冷、緩冷可滿足冷卻要求，缺點是淬火前的預冷，降低齒部溫度，從而降低齒部的過冷度，造成齒部冷卻能力不足，而預冷對軸部的溫度表層稍有降低，但次表層及心部溫度高于表層，淬火后會形成應力分布不合理的現象。

2. 第二階段工藝試驗

降低淬火溫度，取消預冷，增加短時強冷，適當縮短緩冷時間。

（1）試驗參數 試驗參數見表2，共試驗2爐。

第五爐帶隨爐實體樣件，切割做硬度檢驗，檢測示意見圖1、圖2，檢測結果見表3。

（2）試驗結果分析 從第五、第六爐試驗金相看，金相組織比第一階段有了明顯提升，第五爐是淬火+高溫回火后二次加熱淬火，不能真實反映出滲碳直接淬火的組織，第六爐雖然組織好，但是有一件在精加工后鍵槽處開裂，說明依然存在殘余應力大的問題。

通過測量淬火返熱溫度，檢測切片硬度，第五爐冷卻時間較合理，仍可縮短，切片φ120mm未淬透，表層5mm 以內硬度37~38HRC，心部32~35.1HRC，其余硬度為3 2~3 5 H R C，說明820℃淬火后硬度降低，出現了一定硬度梯度。

圖1 φ120mm試驗切片

圖2 φ95mm試驗切片

表2 試驗前后工藝參數及滲碳淬火隨爐試樣金相組織

表3 φ120mm、φ95mm試驗切片數據

3. 第三階段工藝試驗

確定淬火溫度為82 0℃，延長均溫時間，控制強冷時間在3mi n以內，依照出油溫度確定緩冷時間。

（1）試驗參數 試驗參數見表4，共試驗2爐。

實體取樣檢驗圖片見圖3、圖4，檢驗數據見表5、表6。

（2）試驗結果分析 滲碳均溫時間延長至3~4h，估計軸心部可降低到均溫溫度，但保溫時間長，淬火后測軸部終冷溫度，第七爐齒部為120~140℃，桿部為100~120℃，第八爐齒部為100~120℃，桿部為110~150℃，說明冷卻時間的計算方法是合理的。

從兩種軸切片看，φ 120mm三階段試驗切片表層5mm 以內36~38HRC，比第二階段降低1~2HRC；心部硬度為30.3~33.6HRC，比第二階段降低1~3HRC。未冷處理的樣塊馬氏體+殘留奧氏體為4級（標準要求：馬氏體+殘留奧氏體、心部≤4級，碳化物≤3級），如過程稍有波動，則組織級別降低，依照本次冷卻（強冷時間控制在3mi n以內）參數，無論從硬度、組織優化方面都需要冷處理。

圖3 φ120mm試驗切片

圖4 φ160mm試驗切片

表4 調整前后工藝參數及滲碳淬火隨爐試樣金相組織

表5 φ120mm試驗切片檢測數據

表6 φ160mm試驗切片檢測數據

4. 試驗結論

（1）軸部淬火硬度降低，間接地說明淬火應力降低了，解決了軸部全部淬透而淬火應力過大的問題，達到試驗計劃“心部硬度≤35HRC”的要求。

（2）試驗組織級別，齒部“馬氏體+殘留奧氏體”級別3級，碳化物2級，心部組織隨爐試塊1級，實體樣塊為2~3級，符合《重載齒輪金相檢驗》標準要求，軸部截面硬度、滲碳層金相組織兩者之間存在制約關系，即冷卻強度大，金相組織級別、表層硬度都會提高，但軸部淬火應力增大，二者只能綜合考慮。

（3）為實現“減小淬火應力”的目標，通過試驗確定淬火溫度為820℃，冷卻時間依據最小軸徑計算，執行正常冷處理工藝，為了保證硬度，二次回火溫度不得提高。

（4）均溫時間根據零件大小分為兩檔，分別為45min、60min，關于強冷時間結合模數與軸部直徑建議分為兩檔，分別為3min、4~5min，因為第三階段試驗表明，φ160mm軸部組織為3級，而模數14零件軸部都在160mm及以上，稍微延長強冷時間以保證實體軸部組織及使用要求的強度。

5. 結語

通過本次試驗優化了工藝方法，18Cr Ni Mo7-6材料的錐齒輪軸部淬火硬度降低，達到了降低18Cr Ni Mo7-6錐齒輪軸滲碳淬火應力的目的，在生產實踐中已經開始進行應用，為公司產品攻關項目提供了有利的工藝保證參數，提高了產品使用壽命。