軸類材料淬透性與心部硬度關系的研究

田 沛，白 潔，李建峰，張曉菊

(陜西法士特汽車傳動集團有限責任公司，陜西 西安 710119)

隨著國內商用車向大扭矩、大噸位方向發展，重載情況下對傳動系統中齒輪、軸類材料的性能要求越來越嚴。經過長期的研究和對比，目前已開發的17CrNiMo6和20CrMnTiH3鋼在進行滲碳淬火后可有效進行表面強化，提高滲層質量[1]。同時，17CrNiMo6和20CrMnTiH3鋼中含有Cr、Mo等可增加奧氏體穩定性的碳化物形成元素，與Ni、Mn、Ti等可強化鐵素體的元素相互作用，使鋼材具有較高的心部硬度和良好的過載能力。因此，商用車齒輪行業大量應用17CrNiMo6和20CrMnTiH3鋼作為齒輪、軸的主要生產用鋼[2-3]。

鋼材的淬透性是指在規定條件下，用試樣淬硬層深度和硬度分布來表征的材料特征，代表鋼材經奧氏體化后在一定冷卻條件下淬火所獲得馬氏體的能力，即鋼材接受淬火的能力。鋼材的淬透性主要取決于其化學成分(即鋼的碳含量和合金化程度)、奧氏體晶粒尺寸以及奧氏體化程度等，是材料的固有屬性，其穩定與否對滲碳淬火后零件的心部硬度影響較大[4]。

軸類零件對于淬透性帶寬有非常高的要求，淬透性帶越窄，離散度越小，越有利于軸類零件的加工和嚙合精度的提高。本文以軸類零件生產中常用的17CrNiMo6和20CrMnTiH3鋼為試驗材料，通過末端淬透性試驗測定材料的淬透性；同時，將兩種材料加工成不同直徑的試驗圓棒，模擬軸類零件滲碳淬火后測定其心部硬度，研究在一定的熱處理工藝條件下兩種材料心部硬度與淬透性之間的對應關系，從而制定出更加合理的熱處理工藝。

1 試驗材料和方法

試驗材料為17CrNiMo6和20CrMnTiH3鋼。依據標準GB/T 225—2006《鋼淬透性的末端淬火試驗方法(Jominy試驗)》進行末端淬透性試驗，將試驗材料加工成φ25 mm×100 mm標準試樣，加熱至850 ℃保溫一段時間后取出，迅速放入末端淬透性裝置中進行噴水冷卻，如圖1所示。試樣末端距噴水口的距離為12.5 mm，水溫為20～30 ℃，水柱自由高度為65±5 mm，淬火時間不小于10 min，以保證端淬試樣的充分冷卻。冷卻后的試樣沿軸線方向相對兩側各磨去0.2～0.5 mm，然后從末端起每隔一定距離測定一次硬度[5]。

圖1 末端淬透性裝置示意圖

取φ70 mm規格的17CrNiMo6和20CrMnTiH3圓鋼，車成不同直徑、長度60 mm左右的試驗圓棒，如圖2所示。試驗圓棒在多用爐中加熱至830～850 ℃保溫一定時間后，放入攪拌速度為500～600 r/min 的G油中進行淬火，模擬軸類零件進行滲碳淬火處理[6]。依據TES-003規定，軸類零件距軸心3/4R處的硬度為心部硬度，如圖3所示。因此，切取淬火試驗圓棒約1/2高度處、厚度約為10 mm的橫截面進行心部硬度測量，每個試樣測量4次，取平均值。

圖2 試驗圓棒示意圖

2 試驗結果和分析

2.1 17CrNiMo6材料心部硬度與淬透性關系

17CrNiMo6鋼屬Cr-Ni-Mo系低碳合金鋼，具有優良的抗壓能力、高強度、高韌性和高淬透性等優點，在傳遞較大動力和承受較大載荷的軸齒輪方面應用廣泛，其化學成分見表1。

表1 17CrNiMo6試驗鋼化學成分(質量分數，%)

表2、表3為17CrNiMo6試驗鋼的端淬值和心部硬度值。由表2、表3可知，17CrNiMo6試驗鋼端淬值滿足技術要求，心部硬度值隨試棒直徑的增大呈遞減趨勢。17CrNiMo6材料的心部硬度與端淬值之間的對應關系見表4和圖4。

表2 17CrNiMo6試驗鋼端淬值

表3 17CrNiMo6試驗鋼心部硬度值

表4 17CrNiMo6試驗鋼心部硬度與端淬值之間的對應關系

圖4 17CrNiMo6材料心部硬度與端淬值關系曲線

2.2 20CrMnTiH3材料心部硬度與淬透性關系

20CrMnTiH3鋼屬Cr-Mn-Ti系低碳合金鋼，具有較高的力學性能、抗疲勞性能、低溫沖擊韌性性能以及良好的加工性能。主要用于齒輪、軸類、活塞類零配件以及汽車、飛機各種特殊零件部位[7]。其化學成分見表5。

表5 20CrMnTiH3試驗鋼化學成分(質量分數，%)

表6、表7為20CrMnTiH3試驗鋼的端淬值和心部硬度值。由表6、表7可知，17CrNiMo6試驗鋼端淬值滿足技術要求，心部硬度值隨試棒直徑的增大呈遞減趨勢。20CrMnTiH3材料的心部硬度與端淬值之間的對應關系見表8和圖5。

表6 20CrMnTiH3試驗鋼端淬值

表7 20CrMnTiH3試驗鋼端心部硬度值

表8 20CrMnTiH3試驗鋼心部硬度與端淬值之間的對應關系

圖5 20CrMnTiH3材料心部硬度與端淬值關系曲線

3 結論

1)17CrNiMo6與20CrMnTiH3鋼的淬透性差異很大，φ70 mm規格的17CrNiMo6圓棒的心部硬度高于φ30 mm規格的20CrMnTiH3圓棒的心部硬度。因此，材料淬透性對軸類零件心部硬度的影響遠高于齒輪類零件，必須根據軸的直徑大小選擇合適的材料，不同淬透性的材料不能代替使用。

2)同一直徑棒料的心部硬度對應淬透性曲線上的位置非常接近。分析認為不同直徑棒料的心部硬度與淬透性曲線上對應的位置是較一致的，與材料種類關系不大。可以通過多批次材料的試驗數據比較，得到心部硬度與淬透性曲線對應位置的明確關系，便于通過淬透性曲線預測零件的心部硬度。