齒輪用22CrNi2MoNbH鋼的滲碳工藝
時間：2019-06-13
作者：無錫不銹鋼板
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大馬力推土機終傳動齒輪承受重載荷,，要求高的接觸疲勞強度和齒根彎曲強度。通過測試分析,，選擇使用保證淬透性脫氣22CrNi2MoNbH,，并確定了滲碳、淬火熱處理工藝,，從而達到圖樣各項設(shè)計指標要求。
美國卡特D6D、D7G 履帶式推土機在一般工況條件下的設(shè)計壽命為10 000 h,，該公司生產(chǎn)D9H 推土機設(shè)計使用壽命25 000 h，具有高的性價比,。主要件,、關(guān)鍵件(變速箱、終傳動) 的使用壽命也應(yīng)達到或超過整機的設(shè)計壽命,。開發(fā)新產(chǎn)品所使用齒輪大部分采用滲碳淬火熱處理來達到提高壽命,。齒輪壽命主要取決于原材料冶金質(zhì)量、熱處理工藝及達到結(jié)果,、齒輪加工精度,。
大馬力推土機終傳動的齒輪要求傳動重載荷，受空間影響,，齒輪的尺寸小,，模數(shù)大。設(shè)計要求小齒輪軸(模數(shù)12 mm,、齒數(shù)12,、分度圓直徑144 mm、齒寬124 mm) 表面硬度60 ～ 64 HRC,、硬化層深度2.2 ～2.8 mm,、齒根硬化層深度1.5 mm 以上、心部硬度269 ～ 388 HB,，原先使用20CrMoH 鋼,，經(jīng)滲碳淬火后，心部硬度低,，達不到設(shè)計要求,。通過查找資料分析、研究,，認為確定使用22CrNi2MoNbH 鋼進行試制,。
1、成分及淬透性測試與分析
齒輪的抗彎曲疲勞能力、抗接觸疲勞能力,、齒輪的嚙合精度三大要素,，決定了齒輪的壽命。根據(jù)GB /T 5216—2004《保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼》要求,，國內(nèi)載重齒輪選用20CrNi2MoA,、20CrNi2MoH 鋼材，對于載重齒輪為了提高心部硬度,，要提高齒輪材料的碳含量,，一般控制碳含量在0.20% ～ 0.25% (質(zhì)量分數(shù)，下同) ,，比20CrNi2MoH 鋼的0.17% ～ 0.23% 稍高,。而含碳量過高，使得齒輪滲碳淬火畸變大,。Ni,、Mo 合金元素具有很強的抗氧化能力，Cr 元素次之,，Mn 元素抗氧化能力弱,，Si 元素最弱。如果滲碳爐中氧勢比較高,，在高溫滲碳過程中,，氧原子通過晶界擴散到齒輪表面，將使易氧化的合金元素變成氧化物,，喪失合金化能力,，降低滲碳層的淬透性；齒輪淬火后表面非馬氏體組織超標,，接觸疲勞強度降低,，因此在齒輪鋼中提高抗氧化的Ni、Mo 合金元素含量,。
在鋼中加入微合金元素Nb,，Nb 能與N、C 結(jié)合,，形成氮化物,、碳化物，可顯著提高再結(jié)晶溫度,，阻止奧氏體晶粒的長大,，從而細化晶粒，改善材料的性能,。鋼材通過脫氣處理,，使得非金屬夾雜物的尺寸減小,，級別提高，能夠顯著提高齒輪接觸疲勞強度,。鋼材達到淬透性帶的寬窄,、大小影響齒輪的熱處理畸變以及齒輪的心部硬度，淬透性帶要比標準要求范圍小得多,，這主要是鋼材的冶煉質(zhì)量提高,，化學(xué)成分控制嚴格，波動小的結(jié)果,?？紤]齒輪在滲碳及淬火過程中的畸變，20CrMoH,、22CrNi2MoNbH 鋼按美國C 型缺口式樣經(jīng)滲碳,、淬火后,，測得的平均畸變率d分別為3.89%,、2.54%。對于模數(shù)是12 mm 的齒輪,，通常淬透性值以J9 的大小最為關(guān)鍵,，J9 = 30 ～42 HRC比較合適，當(dāng)J9 > 42 HRC 時,，材料在滲碳淬火后,，不僅畸變量大，而且在使用過程中易產(chǎn)生脆性斷裂,。淬透性帶越窄越好,，便于降低熱處理畸變。參考日本小松公司使用SNCM420H-K 鋼材,，并與撫順特鋼公司確定為22CrNi2MoNbH 鋼,，通過電爐冶煉并進行爐外脫氣精煉，,。
2,、熱處理工藝參數(shù)確定
2.1、齒輪的工序流程
鍛造毛坯—毛坯等溫退火—初精加工齒輪—齒輪滲碳—高溫回火—齒輪加工(螺紋) —齒輪淬火—齒輪低溫回火—精磨齒輪,。
2.2,、熱處理工藝
文獻對含Nb 的20CrNi2Mo 鋼分別進行880、900,、920,、940、960 ℃溫度下保溫1 h 后淬水,，之后測奧氏體晶粒度,，在920 ℃ 之前晶粒度無變化,，940 及960 ℃晶粒有長大，在920 ℃保溫10 h 后晶粒沒有發(fā)生明顯的長大,，晶粒度為8 ～ 9 級,。
2.3、試驗結(jié)果
毛坯經(jīng)等溫退火后的硬度為156 ～ 207 HB,，齒坯具有良好的切削加工性能,，能夠減少刀具的磨損，延長刀具的壽命,。還有穩(wěn)定滲碳淬火時的畸變,。齒輪滲碳及淬火在易普森多用爐中進行的。經(jīng)長時間滲碳后,，要求達到滲碳深度2.4 ～ 3.0 mm,，用維氏硬度計進行檢測，達到2.6 mm,，按550 HV 處的碳濃度w(C) = 0.4%,，測得表面碳濃度。
3,、結(jié)論
1) 22CrNi2MoH 鋼的化學(xué)成分,、淬透性、夾雜物及晶粒度等指標滿足大型重載齒輪的設(shè)計要求,，其制作齒輪各項內(nèi)在質(zhì)量指標達到重載齒輪的質(zhì)量要求,。
2) 22CrNi2MoH 鋼經(jīng)920 ℃ ×30 h 滲碳，在840 ℃淬火,、180 ℃低溫回火后,，晶粒度沒有異常長大，其工藝是可行的,。