熱處理工藝對20CrMnTi 齒輪組織與性能的影響

時間：2013-03-26 14:12:39 來源：作者：

劉翔

(江蘇省鹽城技師學院江蘇鹽城 224002)

摘要:本文分析了20CrMnTi滲碳鋼齒輪的預備熱處理、滲碳、淬火低溫回火熱處理工藝對組織與性能的影響,并對工藝進行優化,提高材料的性能,降低生產成本,提高了經濟效果。

關鍵詞:預備熱處理滲碳淬火低溫回火馬氏體

中圖分類號:TG161 文獻標識碼: A 文章編號:1672-3791(2010)06(b)-0252-02

滲碳鋼通常是指經滲碳淬火, 低溫回火后使用的鋼。20CrMnTi滲碳鋼是一種低碳合金鋼,工藝性能優良,廣泛用于截面小于30mm承受高速、中等或重載及受沖擊載荷和摩擦的重要滲碳零件,如汽車、拖拉機中的變速齒輪、凸輪、礦山機械使用的重載齒輪等, 但往往由于齒輪熱處理質量不過關, 會造成加工困難、齒輪磨削中存在裂紋、組織和力學性能不合格等。本文通過對齒輪的預備熱處理、滲碳、淬火回火幾個方面分析, 進行工藝優化, 來提高材料的性能, 降低生產成本。

20CrMnTi齒輪鋼要達到加工、使用所需性能必須進行熱處理, 目的是提高表面的硬度、耐磨性和疲勞強度,心部具有足夠的強度和韌性。一般齒輪加工的工藝路線如下。

鍛造→正火→齒形加工→滲碳→淬火、低溫回火→噴丸→校正花鍵孔→磨齒[1]。一般齒輪毛坯采用鍛造毛坯, 經鍛造以后晶粒大小形狀發生了變化, 改變了鋼的組織, 增加了鍛造應力, 提高了硬度, 在機械加工前需預備熱處理。

1 預備熱處理

通常20CrMnTi選用正火或調質處理作為預備熱處理,其目的是降低鋼的硬度,提高塑性, 以利于切削加工; 細化晶粒,均勻鋼的組織及成分,改善鋼的性能,為以后的熱處理作準備;消除鍛造應力,防止變形和開裂, 保證齒形合格。

1.1 正火

正火是將鋼加熱到Ac3以上30℃～50℃,保溫足夠的時間后出爐在空氣中冷卻到室溫。對于一般的齒輪采用正火,正火可以減少碳和其他合金元素的成分偏析; 使奧氏體晶粒細化和碳化物的彌散分布, 以便在隨后的熱處理中增加碳化物的溶解量。由于正火的冷卻速度較快, 獲得細小的片層狀滲碳體珠光體, 強度、硬度都較高, 力學性能較好。然而正火工藝是空冷,對于尺寸較大零件,內外溫差大冷卻速度不穩定,在連續冷卻時,過冷奧氏體在A1-550℃溫度范圍內分解為珠光體,在550℃-Ms溫度范圍內, 因轉變溫度較低轉變為貝氏體組織(即含碳量具有一定過飽和度的鐵素體和分散的滲碳體(或碳化物)的混合物),其特征是過飽和碳的鐵素體中分布粒狀或長條狀的碳化物[1]。鍛造毛坯正火產生的粒狀貝氏體引起硬度增高,導致了齒型加工困難,使刀具早期磨損。對于車輛齒輪或大批量的小型齒輪越來越多采用等溫正火工藝。對于模數、直徑較大的質量要求高的工業齒輪通常采用調質作為預備熱處理[5]。

1.2 調質

對于重要的齒輪用調質來改善鋼的性能。在切削加工時,為了不致發生“粘刀”現象和使刀具嚴重磨損,通過改善金相組織控制鋼的硬度。實踐證明,為了防止鍛造毛坯在預備熱處理中產生粒狀貝氏體影響鋼的力學性能,工藝可采用淬火后680℃～700℃高溫回火(即調質)來替代原來的正火。高溫回火后得到回火索氏體組織, 即粒狀滲碳體均勻的分布在鐵素體基體上, 應力集中傾向小,硬度降低至200HB～330HB,切削性能較好。調質鋼與正火鋼相比不僅強度較高, 而且塑性、韌性遠高于后者, 同時鍛造應力得到充分的消除, 滿足了機械加工要求, 在生產中已取得了良好的經濟效益[2]。

2 滲碳處理工藝

2.1 鋼的化學成分

20CrMnTi的含碳量為0.20％屬于低碳鋼,滲碳時保證了碳元素的正常滲入。淬火熱處理后心部獲得低碳馬氏體, 以保證心部具有足夠的塑性和韌性,抵抗沖擊載荷。鋼中合金元素為Cr<1.5％、Mn<1.5％、Ti<1.5％。Cr、Mn合金元素能提高鋼鐵索體的強度,同時提高鋼的淬透性。Ti元素能阻止鋼的奧氏體晶粒的長大, 提高鋼的回火穩定性。20CrMnTi齒輪根據使用性能要求表面耐磨,心部又要求有良好的強韌性,所以要對20CrMnTi鋼進行表面滲碳處理,滲碳淬火后表面得到高碳馬氏體, 具有較高的硬度和耐磨性。

2.2 滲碳工藝

滲碳淬火工藝過程中, 要防止齒輪變形, 要嚴格控制滲碳齒輪的表面碳濃度和滲層深度。因它們會對滲層組織的膨脹系數產生影響, 滲碳后若表面形成不良碳化物分布, 將增加齒形、齒向及花鍵孔的變形,因此必須控制滲碳時的碳勢,以防止表面碳濃度過高和碳量不均勻。滲碳層深度越厚,也將使畸變加大。表面含碳量影響滲碳淬火齒輪的淬透性, 而材料的淬透性對組織、性能、畸變有直接的影響[5]。因此應使滲碳層深度及其表面含碳量控制在合理適宜的范圍內。

齒輪滲碳的方法較多,常用氣體滲碳,目前應用電解質氣相離子(ECA)催滲技術控制滲碳變形也取得較好效果[6]。現以可控井式爐中氣體滲碳為例優化工藝, 滴入煤油、苯、甲醇等滲碳劑, 加熱溫度從一般采用的930℃改為900℃[3]。這些介質在高溫下分解,產生活性碳原子,主要化學分解式如下：

2CO→[C]+CO2

CH4→2H2+[C]

活性碳原子溶入鋼表面奧氏體中, 并向內部擴散,最后形成一定深度的滲碳層。一般滲碳層深度取決于保溫時間, 可按每小時滲入0.2mm～0.25mm的速度估算。滲碳時要控制滲碳的時間、活性碳的濃度,使表面的含碳量控制在0.80 %～1.0 %范圍內[4],并從表面到心部逐漸減小,心部仍保持原來低碳鋼的含碳量。滲碳的溫度越高,時間越長, 奧氏體晶粒越大, 齒輪的畸變越大,把加熱溫度控制900℃左右,目的是控制奧氏體晶粒長大,獲得細小的奧氏體晶粒,淬火后獲得細小的馬氏體組織。由于滲碳只改變工件表面的含碳量, 要使滲碳齒輪表面具有高的硬度、高的耐磨性和心部良好韌性滲碳后必須進行熱處理。常用的是淬火后低溫回火。

3 淬火低溫回火

3.1 淬火

鋼的加熱溫度一般可根據Fe-Fe3C相圖選擇,亞共析鋼淬火加熱溫度選擇Ac3以上30℃～50℃,過共析鋼淬火加熱溫度選擇Ac1以上30℃～50℃。根據滲碳后齒輪的表層含碳量的分布狀況及實踐經驗從900℃預冷到820℃左右進行油冷[3]可以得到好的效果。加熱溫度過高或保溫時間過長,會引起奧氏體的晶粒粗大引起過熱或晶界氧化并部分熔化的過燒現象。過熱時奧氏體的晶粒粗大不僅降低齒輪力學性能, 也容易引起齒輪的變形和開裂。過燒后的工件只能報廢。加熱溫度過低、保溫時間不足會引起硬度不足。故可選擇900℃溫度滲碳,預冷8 2 0℃ 左右油冷淬火。淬火冷卻速度太快,奧氏體向馬氏體組織轉變劇烈、體積收縮,引起很大的內應力,容易造成齒輪的變形和開裂,由于20CrMnTi是合金鋼,淬透性較好,故選擇油冷減小冷卻速度,防止淬火造成齒輪變形或開裂。同時也能獲得馬氏體組織,達到較高的硬度。淬火后的鋼組織是馬氏體及少量殘余奧氏體,它們都是不穩定的組織,有向穩定組織轉變的趨勢,同時淬火時產生內應力。為了減小或消除淬火內應力, 穩定組織和尺寸,獲得所需的力學性能,實踐證明重載齒輪選擇在200℃進行4小時低溫回火[3]工藝較好。低溫回火時馬氏體中過飽和碳原子以碳化物的形式逐步析出, 馬氏體晶格畸變程度減弱,內應力有所降低。此時的回火組織由馬氏體和碳化物組成, 稱為回火馬氏體。雖然馬氏體的分解使α-Fe中碳的過飽和程度降低,鋼的硬度相應下降,但析出的碳化物又對基體起強化作用, 部分的殘余奧氏體分解為回火馬氏體, 所以鋼仍保持很高的硬度和耐磨性和一定的韌性。

4 結語

生產實踐證明20CrMnTi滲碳鋼齒輪進行熱處理工藝優化,可獲得良好的力學性能, 不易造成熱處理變形開裂和齒輪磨削裂紋,取得良好的經濟效果。

參考文獻

[1] 單小君.金屬材料與熱處理(第4版)[M].北京:中國勞動社會保障出版社,2001.

[2] 張亞明,石洪民.20CrMnTi滲碳鋼預備熱處理后加工困難的原因及改進措施[J].煤炭技術,2003(5).

[3] 王秀芹.如何止滲碳淬火齒輪磨削裂紋的產生[J].煤礦機械,2005(8).

[4] 趙金安.滲碳淬火齒輪磨削裂紋的防止[J].機械傳動,2003(4).

[5] 顧敏.材料和熱處理工藝對滲碳淬火齒輪畸變的影響[J].機械工人,2007(10).

[6] 張希平, 王安五. 輕型車后橋圓錐齒輪滲碳淬火變形的控制[J].熱加工工藝,2001(4).

①作者簡介:劉翔(1967—),女,漢族,江蘇阜寧人,學士,江蘇省鹽城技師學院高級講師,從事機械專業理論教學與教研。