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計壽命為10 000 h，該公司生產D9H 推土機設計使用壽命25 000 h，具有高的性價比。主要件、關鍵件(變速箱、終傳動) 的使用壽命也應達到或超過整機的設計壽命。開發新產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量、熱處理工藝及達到結果、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，模數大。設計要求小齒輪軸(模數12 mm、齒數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，經滲碳淬火后，心部硬度低，達不到設計要求。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GB /T 5216—2004《保證淬透性結構鋼》要求，國內載重齒輪選用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% (質量分數，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 結合，形成氮化物、碳化物，可顯著提高再結晶溫度，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量提高，化學成分控制嚴格，波動小的結果。考慮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%。對于模數是12 mm 的齒輪，通常淬透性值以J9 的大小最為關鍵，J9 = 30 ～42 HRC比較合適，當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 后晶粒沒有發生明顯的長大，晶粒度為8 ～ 9 級。
2.3、試驗結果
毛坯經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、結論
1) 22CrNi2MoH 鋼的化學成分、淬透性、夾雜物及晶粒度等指標滿足大型重載齒輪的設計要求，其制作齒輪各項內在質量指標達到重載齒輪的質量要求。
2) 22CrNi2MoH 鋼經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。