高合金鋼的預處理方式

郝豐林，劉小丹，孔旭紅，蔣勇，余國增

1.江蘇雙環(huán)齒輪有限公司 江蘇淮安 223200

2.蘇州工業(yè)園區(qū)久禾工業(yè)爐有限公司 江蘇蘇州 215021

1 序言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對汽車齒輪質(zhì)量的要求越來越高，齒輪服役條件極其苛刻，對齒輪材料的性能要求是高的彎曲疲勞強度、接觸疲勞強度和耐磨性，較高的強度和韌性，以及較好的熱處理工藝性能。齒輪滲碳鋼主要有CrMn系、CrMo系、CrMnTi系、CrNiMo系和CrNi系鋼等，對于汽車變速器齒輪、后橋齒輪，根據(jù)其性能和失效分析得出，普通的CrMo系、MnCr系、CrMnTi系鋼達不到技術要求，需采用性能更好的CrNiMo系鋼。CrNiMo系鋼合金元素含量略多，如18CrNiMo7-6鋼、17CrNiMo6鋼、19CrNiMo7-6鋼等，加入了Mo、Ni等晶界強化合金元素，以提高輪齒強度和韌性，特別是滲碳層韌性，從而增強齒輪的疲勞強度和過載能力。

齒輪材料的技術指標主要有：化學成分、力學性能、淬透性、晶粒度和表面質(zhì)量等。鉻（Cr）是最常用的一種合金元素，它能提高鋼的淬透性并有二次硬化作用；在滲碳鋼中，鉻能形成含鉻碳化物，從而提高齒輪表面耐磨性。鎳（Ni）也是一種常用的強化元素，它在鋼中強化鐵素體并細化珠光體，總的效果是提高強度，對塑性的影響不顯著；鎳在提高鋼的強度的同時，對鋼的韌性、塑性以及工藝性能的損害較其他合金元素影響小。鉬（Mo）在滲碳鋼中能提高淬透性和熱強性，防止回火脆性，增加回火抗力，同時還能在滲碳層中降低碳化物在晶界上形成連續(xù)網(wǎng)狀的傾向，減少滲碳層中的殘留奧氏體，相對增加了表面層的耐磨性。

2 19CrNiMo7-6鋼常規(guī)熱處理工藝

對于19CrNiMo7-6鋼這類材料，如采用常規(guī)正火，由于正火后的冷卻速度不可控，金相組織為貝氏體+少量鐵素體，硬度在275HBW左右，偏高，再增加一遍高溫回火，硬度在190～230HBW。如采用普通的等溫正火后，易得到先共析鐵素體+少量貝氏體組織，硬度200～230HBW，偏高，不過后續(xù)的切削加工在這個硬度范圍還可以加工。等溫正火工藝的不易控制之處在于奧氏體化加熱保溫后，要出爐空冷至等溫溫度附近，再入等溫爐進行等溫，此處空冷溫度不易控制，受季節(jié)、氣溫波動性影響很大。

我公司專業(yè)生產(chǎn)齒輪，主要服務于世界上知名的企業(yè)，不同的企業(yè)要求的材料不同，采用的預處理方式也不盡相同。有兩家企業(yè)對于后橋齒輪的毛坯組織要求很有代表性，這兩家的材料都是類似于19CrNiMo7-6鋼。為了便于表達，這兩家企業(yè)分別以甲企業(yè)和乙企業(yè)表示。對于甲企業(yè)我們提供的是制齒以后的齒坯，齒坯到該企業(yè)后進行真空滲碳、氣淬；對于乙企業(yè)我們提供的是精車坯，客戶負責制齒，采用推桿爐滲碳、淬火，然后再磨齒的熱處理工藝。下面對甲乙兩家的毛坯要求進行分析。

3 毛坯預處理技術要求

3.1 甲企業(yè)毛坯預處理技術要求

（1）正火和回火 冷卻速度必須足以產(chǎn)生珠光體和鐵素體基體的貝氏體。參考的顯微組織如圖1所示，圖1a為珠光體和鐵素體，不接收；圖1b為珠光體和鐵素體+少量貝氏體，不接收；圖1c中以貝氏體為主，部分珠光體和鐵素體，這是交貨的臨界狀態(tài)；圖1d中以貝氏體為主，少量細珠光體，可接收。硬度為180～220HBW，目標值為200HBW。

（2）晶粒尺寸 6級或更細，無混晶。

3.2 乙企業(yè)毛坯預處理技術要求

（1）等溫退火 要求等溫退火后在齒部外徑20%范圍內(nèi)不得有貝氏體，其余位置有≤10%的貝氏體，硬度要求156～187HBW。等溫退火后不可以二次熱處理（高溫回火降低硬度）。帶狀組織≤5級。對于軸承部位及齒部的硬度金相都要檢測。

（2）金相組織 參考的顯微組織如圖2所示。圖2a中為鐵素體+珠光體，可接收；圖2b中為鐵素體+珠光體，可接收；圖2c中為鐵素體+珠光體+貝氏體，拒收。

圖1 甲企業(yè)參考的顯微組織

圖2 乙企業(yè)參考的顯微組織

4 選擇合理的熱處理工藝

甲企業(yè)、乙企業(yè)的預處理要求屬于普通正火和等溫退火的極限要求，對于甲企業(yè)來說，毛坯冷卻時要足夠快，冷卻溫度要可控[1]；對于企業(yè)乙來說，毛坯冷卻速度、冷卻溫度要可控[1，2]。根據(jù)這兩家的技術要求，我們選用網(wǎng)帶式等溫退火爐，采用了不同的冷卻方式達到了客戶要求。

甲企業(yè)毛坯正火后顯微組織如圖3所示，硬度為205HBW。

乙企業(yè)毛坯等溫退火后顯微組織如圖4所示，硬度為165HBW。

我們提供給甲企業(yè)的是制齒坯，在加工過程中，與毛坯是鐵素體加珠光體組織的齒坯相比，刀具消耗沒有太大區(qū)別。由于我們提供給客戶的是沒有滲碳的產(chǎn)品，尤其是針對甲企業(yè)對毛坯的要求，按以前的思路分析，毛坯是貝氏體，所以刀具消耗會大。由于毛坯硬度高，加工應力也大，所以對于滲碳淬火后的心部組織可能有影響。為了驗證，我們對精車坯進行滲碳淬火，檢測心部金相組織。采用的滲碳工藝如圖5所示，滲碳周期有7h，甲企業(yè)的毛坯滲碳后顯微組織如圖6所示，乙企業(yè)的毛坯滲碳后顯微如圖7所示。

對于此類材料毛坯預處理，無論組織是貝氏體還是鐵素體+珠光體，滲碳后的金相都是合格的。但是對于甲企業(yè)來說，采用真空滲碳，在滲碳的前期增加一個去應力工序，滲碳后的金相組織會更好。

圖3 甲企業(yè)毛坯正火后顯微組織

圖4 乙企業(yè)毛坯等溫退火后顯微組織

圖5 滲碳工藝

圖6 甲企業(yè)毛坯滲碳后顯微組織

圖7 乙企業(yè)毛坯滲碳后顯微組織