等溫正火工藝的突破
隨著汽車工業的發展,對汽車齒輪質量的要求越來越高,針對齒輪服役條件失效形式的分析指出,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、CrNi系鋼等。對于汽車變速箱齒輪、后橋齒輪根據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高,如18CrNiMo7-6、17CrNiMo6、19CrNiMo7-6加入的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,從而增強了齒輪的疲勞強度和過載能力。
一、19CrNiMo7-6材料熱處理工藝
齒輪材料的技術指標主要有:化學成分、力學性能、淬透性、晶粒度和表面質量等。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,Cr能形成含鉻碳化物,從而提高齒輪表面耐磨性。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,對鋼的韌性、塑性以及其他工藝性能的損害較其他合金元素影響小。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網狀的傾向,減少滲碳層中的殘留奧氏體,相對增加了表面層的耐磨性。對于19CrNiMo7-6材料采用常規正火處理[1],由于正火后的冷卻速度不可控,金相組織為貝氏體加少量的鐵素體,硬度偏高,在275HBW左右,再增加一遍高溫回火,硬度在190～230HBW。采用普通的等溫正火后,易得到先共析鐵素體加少量貝氏體組織,硬度偏高,達到200～230HBW,不影響后續的切削加工。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、氣溫波動性影響很大[2]。對于此類材料我們生產過減速大齒輪、輸出軸等,對于正火不穩定,可以通過犧牲冷加工的性能來保證成品。隨著公司的發展,外資客戶主動找到我們開發19CrNiMo7-6材料的后橋弧齒錐齒輪齒坯。材料要求從國外進口,采用等溫退火。金相及硬度要求如下:要求等溫退火后在齒部外徑20%范圍內不得有貝氏體,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≤4級;對于軸承部位及齒部的硬度、金相組織都要檢測。根據我們車間設備的現狀,很難達到要求。從客戶提供的信息來看,國外是可以達到的,并且采用的是連續式等溫退火爐,具體是網帶式、推盤式還是棍棒式,因保密原因不得而知,但采用等溫退火工藝確信無疑。二、網帶式等溫退火爐的研制
根據客戶提供的信息,我們詢問了國內制造等溫正火爐的廠家是否可以達到這個要求,調查資料顯示有的正火爐廠家可以做出符合要求的產品,于是對使用這家正火爐的企業進行了解,結果顯示硬度要求160～190HBW,經常能達到200～207HBW,但也就只能達到這個水平了。后來硬度要求提高到170～210HBW(硬度高了可以通過高溫回火來降低)。因此有的廠家建議采用推盤式退火爐似乎效果好于網帶式退火爐,根據以往經驗,采用推盤式退火爐能耗太大,成本高。經過慎重考慮還是找一家國內占有率高的網帶式等溫正火爐廠家咨詢,客戶推薦選擇蘇州九禾工業爐有限公司,于是我們就與其合作開發網帶式等溫退火爐。所謂等溫退火是將齒坯加熱至奧氏體化后,迅速冷卻到珠光體相變區等溫,直至相變完成后再自由空冷,防止產生粒狀貝氏體,使顯微組織和硬度均勻,從而改善齒坯的加工性能,并減少后續的熱處理變形,提高齒輪品質和生產效率,特別是適宜于高淬透性,易產生粒狀貝氏體的齒輪材料。根據資料查到17CrNiMo6鋼的等溫退火工藝:加熱至950℃、保溫150min;風冷至660℃,保溫150min。齒輪毛坯硬度為173～197HBW,金相組織為塊狀珠光體加鐵素體。19CrNiMo7-6硬度要求156～187HBW,等溫溫度660℃及等溫時間是否可以優化。經查資料得出,工件在加熱區溫度高、時間長有利于組織均勻,在等溫區合適的溫度,長時間等溫利于組織轉變完全,利于硬度降低。因此,我們要求工件在加熱爐停留的時間不低于250min,在等溫區的時間不低于270min,工件以最快速度進入等溫爐。對于等溫1區保溫性能要好,對于風冷區工件由加熱區進入等溫區溫度降低不得大于50℃,風冷區要求密封性要好。但是對于處理普通材料要求冷卻性能要好,這是爐子設計的關鍵。三、工藝優化
為了便于工藝優化,我們查了17CrNiMo6和19CrNiMo7-6這兩種材料的化學成分,見表1。表1 17CrNiMo6和19CrNiMo7-6兩種材料的化學成分(質量分數)對比 (%)
根據化學成分對比,沒有太大差別。對于19CrNiMo7-6連續-時間-溫度轉變圖(見圖1),等溫-時間-溫度轉變圖(見圖2)。
圖1 19CrNiMo7-6連續-時間-溫度轉變圖
圖2 19CrNiMo7-6等溫-時間-溫度轉變圖
根據轉變圖可以看出,溫度在650℃轉變速度最快。但是,為了保證產品性能穩定,我們在670℃及635℃也做了試驗。等溫退火工藝是加熱溫度940℃、保溫250min,以35s速度進入等溫區,等溫溫度分別選擇了670℃、650℃、635℃,保溫時間270min。金相組織檢測如圖3～圖8所示,硬度及金相檢測結果見表2。
圖3 670℃齒部金相
圖4 670℃桿部金相
圖5 650℃齒部金相
圖6 650℃桿部金相
圖7 635℃齒部金相
圖8 635℃桿部金相
表2 硬度及金相檢測結果
根據檢測結果可以看出,采用這三種等溫溫度,工件的金相、硬度都是合格的。但隨著等溫溫度的降低,硬度有上升的趨勢。工件發到歐洲檢測,也是合格的。四、結束語
經過一年多的運行,質量很穩定,滿足了客戶要求。網帶式等溫退火爐的研制成功,大大降低了等溫退火的費用,為企業創造了價值。參考文獻:
[1] 黃潔雯,葛艷明,周凌云,等.18CrNiMo7-6鋼的等溫正火工藝研究[C].第十二屆全國高校金相與顯微分析學術年會,2009.
[2] 劉金鑫,馮桂萍,程麗杰,等.正火冷卻速度對18CrNiMo7-6鋼齒輪鋼組織和硬度的影響[J].特殊鋼,2013,34(1):66-68.
作者:郝豐林,江蘇雙環齒輪有限公司
蔣勇,蘇州工業園區久禾工業爐有限公司
