传动齿轮用材料20Cr2Ni4A复合热处理工艺研究
Wang Shujing;Xiao Jie;Liu Jintao;Wang Pengkun;Huang Yanrui
【摘 要】文章以材料20Cr2Ni4A的齿轮为研究对象.为了提高齿轮塑性抗力和使用寿命,通过渗碳、调质、表面淬硬工序来改善齿面硬度和芯部力学性能,最终获得该齿轮热处理工艺流程和工艺参数. 【期刊名称】《东方汽轮机》 【年(卷),期】2019(000)002 【总页数】4页(P34-36,41)
【关键词】预备热处理;渗碳预冷调质;表面淬硬
【作 者】Wang Shujing;Xiao Jie;Liu Jintao;Wang Pengkun;Huang Yanrui 【作者单位】;;;; 【正文语种】中 文 【中图分类】TG156 0 引言
减速传动结构的啮合齿轮材料选用高淬透性渗碳钢20Cr2Ni4A，图纸技术要求：有效渗碳层深≥1.0 mm、芯部硬度达到HRC35～45、表面硬度达到HRC58以上。由于其工艺复杂，热处理难度大，且在公司首次应用，可供参考的资料很少。对此，本次工艺试验对这种材料齿轮进行热处理工艺试验，掌握热处理参数对材料20Cr2Ni4A力学性能的影响，以及在渗碳过程中保温时间对渗碳层的影响。
1 试验过程
1.1 原材料化学成分检查
为掌握原材料的化学成分及晶粒度，从棒材取样做化学成分检验，结果见表1。 表1 化学成分分析结果单位：wt%C S 0.1 8复验S i 0.2 0 M n 1.4 7 0.0 1 6 0.0 0 8 P C r 1.4 7 N i 3.3 4晶粒度8 1.2 锻造
试验所用试样模拟产品规格φ80×80 mm，锻造温度为1 150℃，坑冷，锻造后检查金相组织（见表 2）。
表2 锻造后晶粒度和金相组织试样编号晶粒度基体组织1-1 5 1-2 4 1-5 5索氏体1-3 4 1-4 4 1.3 热处理
通过渗碳可提高齿面耐磨性，调质处理使芯部硬度和强度满足要求有利于提高接触疲劳性能，表面淬硬处理来提高表面硬度。现将工序安排为：锻造→预备热处理→加工→渗碳→预冷调质→表面淬硬→磨削。
渗碳件渗碳后必须进行恰当的调质处理。渗碳和预冷调质处理选用可控气氛的多用炉，实现了渗碳和调质的连续作业。多用炉渗碳是以N2和甲烷作为载气，同时加入丙烷作为富化气以提高和调节气氛的碳势，渗碳结束后拉入后室缓冷至淬火温度，保温一段时间后直接进行淬火。 2 试验结果及讨论 2.1 预备热处理
渗碳齿轮锻造毛坯均要经过预备热处理，以改善晶粒度，获得合适的切削硬度，同时为渗碳作组织准备，以减少畸变，通常采用正火处理。经过查阅资料得到：材料20Cr2Ni4A的Ac3温度为780℃，进行不同温度段的正火和回火试验，结果见表3。
表3 预备热处理试验结果序号1-1 1-2 1-3 1-4 1-5工艺参数/℃正火 8 8 0～9 0 0 回火 5 5 0±1 0正火 8 8 0～9 0 0 回火 6 5 0±1 0正火 8 8 0～9 0 0 回火 6 8 0±1 0正火 9 2 0～9 4 0 回火 6 5 0±1 0正火 9 2 0～9 4 0 回火 6 8 0±1 0 R p 0.2/M P a 7 3 0 5 6 5 4 9 0 5 4 0 4 8 5 R m/M P a 8 7 5 7 2 5 7 8 0 7 2 5 7 6 5 A/%1 9 2 3 2 2 2 3 2 4 Z/%6 3 7 0 6 2 6 9 6 3 A K v 4 2/4 3 1 5 3/1 5 3 8 7/8 3 1 2 9/1 3 0 7 7/8 1 H B 2 7 1/2 6 5 2 1 7/2 2 1 2 3 2/2 3 0 2 1 7/2 1 7 2 2 2/2 2 4晶粒度6 6 9 6 7
预备热处理后转至加工车间进行齿部加工，对非渗碳面留3 mm余量并镀铜保护。为了保证最佳的切屑性能，该材料正火后硬度推荐值为207～269 HB，从表3的试验数据可以看出2～5组试验数据均能满足要求。但按第3组参数热处理后，材料的晶粒度改善程度最大，推荐预备热处理参数：正火： 880～900℃，回火：680±10℃。 2.2 渗碳和调质处理 2.2.1 渗碳工艺试验
齿轮渗碳层≥1.0 mm，由于渗碳后需对齿轮渗碳面进行磨削加工 （单边0.25 mm余量），所以渗碳后渗碳层深≥1.25 mm。通过前期对同类渗碳钢的渗碳试验，碳势应控制在1.0%～1.3%，由于齿轮材料20Cr2Ni4A中Ni含量偏高，碳原子渗入工件表面时阻力加大，所以在强渗时碳势选择其上限1.2%～1.3%。表4是在不同的强渗和扩散时间下所得到的渗碳层深。
表4 不同强扩比对应的渗碳层深（碳势为1.2%～1.3%）强渗阶段保温时间/h扩散阶段保温时间/h 碳化物级别9 7 9 0 4 6渗碳层深/m m 1.0～1.3 6 1.0 1.5～2.0 1 1 1
从表4试验结果看出：强渗阶段保温时间为9 h、扩散阶段保温时间为6 h时，渗碳结果完全满足要求。
2.2.2 调质处理
结合预备热处理工艺参数，淬火温度与正火温度相当（880～900℃，油冷），然后进行不同回火温度试验，试验结果见图1。 图1 不同回火温度对应力学性能
硬度和屈服强度随着回火温度的升高而降低，但是在450℃和500℃回火后的试验结果均满足HRC35～45要求，则回火温度确定在450～500℃。 2.2.3 渗碳和预冷调质处理
为了使渗碳件得到表层高硬度、高耐磨性和芯部良好韧性，渗碳件渗碳后必须进行恰当的调质处理。材料20Cr2Ni4A渗碳后选择预冷调质处理有以下3个优点： （1）该材料的合金元素含量比较高，渗碳后预冷过程中使过饱和度降低，导致合金元素析出形成碳化物，形成第二相强化；
（2）预冷到低于渗碳温度（高于AC3）然后淬火，这样可以降低淬火温度，既减少了零件变形，并且由奥氏体中析出部分二次渗碳体，减少淬火后表层的残余奥氏体[1] ；
（3）预冷过程中残余奥氏体量增加，在随后的调质过程中残余奥氏体发生转变，所以预冷调质可以控制残余奥氏体的含量，同时消除不平衡组织的影响。 结合上述试验结果，渗碳和渗碳预冷曲线如图2所示。 图2 渗碳及渗碳预冷后调质曲线
按图2曲线渗碳和预冷调质后，其渗碳层深和基体机械性能如表5所示，金相组织如图3所示。
表5 机械性能检查结果编号碳化物级别1 2要求R p 0.2/M P a 9 4 0 9 7 5 R m/M P a 1 0 9 0 1 1 0 0 A/%1 5 1 6 Z/%5 9 6 1.5 A K v 2 5/2 7 3 0/2 7 H B 3 4 3/3 4 3 3 4 5/3 4 5 H R C 3 5～4 5渗碳层深/m m 1.6 1.5 7≥1.2 5 1级1级 图3 金相组织照片
图4 表示从渗碳层到基体每隔0.2 mm渗碳层硬度分布，硬度值从渗碳层到基体呈递减趋势。
图4 渗碳后的硬度分布 2.3 高频淬火和低温回火
高频淬火具有加热速度快的特点，所以相变在很大的过热度下进行，形核率和长大速率都很大，但随过热度的增加，形核率增加得很快，晶粒来不及长大，将使奥氏体晶粒度变得愈加细化，而且淬火后得到隐针马氏体组织。因此，高频淬火后淬硬区的晶粒度比基体的晶粒度更细。
高频淬火只是对表面进行加热，材料20Cr2Ni4A推荐火焰淬火加热温度为Ac3+（20～50℃），所以高频淬火温度确定为800～850℃。依据高频淬火后的硬度要求，调整低温回火温度。
高频淬火试验结果如表6和图5所示，其表面硬度满足使用要求。
表6 高频淬火的检查结果编号基体晶粒度1 2 3 4要求淬硬层深/m m 1.7 0 1.8 0 1.9 0 1.8 0淬硬层晶粒度1 0 1 0 1 0 1 0 9 9 9 9表面硬度/H R C 5 9 6 0≥5 8 图5 高频淬火后金相照片 3 结论
（1）预备热处理
通过预备热处理改善了基体晶粒度和组织均匀性，为后续的渗碳处理做前提准备。通过试验推荐预备热处理参数：正火 880～900℃；回火680±10 ℃。 （2）渗碳和预冷调质处理
渗碳过程中的碳势1.2%～1.3%，强扩比3∶2（即强渗阶段保温9 h，扩散阶段保温6 h）。然后，采用预冷淬火的方式 （淬火温度880～900℃，油冷；回火温度470±10℃空冷）。热处理后，有效渗碳层深≥1.0 mm、芯部硬度达到HRC35～45，完全满足图纸技术要求，同时采用该方法也可有效减少工件变形和氧化情况。
（3）高频淬火
采用高频加热设备GP100L-C3淬火温度800～850℃，并在200～220℃进行低温回火来消除淬火应力，表面硬度可达到58HRC以上。 参考文献
【相关文献】
[1] 刘玉荣,李佐民,任中华,等.20Cr2Ni4A钢齿轮的热处理[J] .煤炭技术,2000,19(3)：14-15. [2] 《热处理手册》编委会.热处理手册：第2版[M] .北京：机械工业出版社,2001.
[3] 钱康强,王新社.20Cr2Ni4A钢高温回火后硬度偏高的分析[J] .机械工人(热加工),2002,(3)：30.
