热处理工艺对20CrMnTi 齿轮组织与性能的影响

时间：2013-03-26 14:12:39 来源：作者：

刘翔

(江苏省盐城技师学院江苏盐城 224002)

摘要:本文分析了20CrMnTi渗碳钢齿轮的预备热处理、渗碳、淬火低温回火热处理工艺对组织与性能的影响,并对工艺进行优化,提高材料的性能,降低生产成本,提高了经济效果。

关键词:预备热处理渗碳淬火低温回火马氏体

中图分类号:TG161 文献标识码: A 文章编号:1672-3791(2010)06(b)-0252-02

渗碳钢通常是指经渗碳淬火, 低温回火后使用的钢。20CrMnTi渗碳钢是一种低碳合金钢,工艺性能优良,广泛用于截面小于30mm承受高速、中等或重载及受冲击载荷和摩擦的重要渗碳零件,如汽车、拖拉机中的变速齿轮、凸轮、矿山机械使用的重载齿轮等, 但往往由于齿轮热处理质量不过关, 会造成加工困难、齿轮磨削中存在裂纹、组织和力学性能不合格等。本文通过对齿轮的预备热处理、渗碳、淬火回火几个方面分析, 进行工艺优化, 来提高材料的性能, 降低生产成本。

20CrMnTi齿轮钢要达到加工、使用所需性能必须进行热处理, 目的是提高表面的硬度、耐磨性和疲劳强度,心部具有足够的强度和韧性。一般齿轮加工的工艺路线如下。

锻造→正火→齿形加工→渗碳→淬火、低温回火→喷丸→校正花键孔→磨齿[1]。一般齿轮毛坯采用锻造毛坯, 经锻造以后晶粒大小形状发生了变化, 改变了钢的组织, 增加了锻造应力, 提高了硬度, 在机械加工前需预备热处理。

1 预备热处理

通常20CrMnTi选用正火或调质处理作为预备热处理,其目的是降低钢的硬度,提高塑性, 以利于切削加工; 细化晶粒,均匀钢的组织及成分,改善钢的性能,为以后的热处理作准备;消除锻造应力,防止变形和开裂, 保证齿形合格。

1.1 正火

正火是将钢加热到Ac3以上30℃～50℃,保温足够的时间后出炉在空气中冷却到室温。对于一般的齿轮采用正火,正火可以减少碳和其他合金元素的成分偏析; 使奥氏体晶粒细化和碳化物的弥散分布, 以便在随后的热处理中增加碳化物的溶解量。由于正火的冷却速度较快, 获得细小的片层状渗碳体珠光体, 强度、硬度都较高, 力学性能较好。然而正火工艺是空冷,对于尺寸较大零件,内外温差大冷却速度不稳定,在连续冷却时,过冷奥氏体在A1-550℃温度范围内分解为珠光体,在550℃-Ms温度范围内, 因转变温度较低转变为贝氏体组织(即含碳量具有一定过饱和度的铁素体和分散的渗碳体(或碳化物)的混合物),其特征是过饱和碳的铁素体中分布粒状或长条状的碳化物[1]。锻造毛坯正火产生的粒状贝氏体引起硬度增高,导致了齿型加工困难,使刀具早期磨损。对于车辆齿轮或大批量的小型齿轮越来越多采用等温正火工艺。对于模数、直径较大的质量要求高的工业齿轮通常采用调质作为预备热处理[5]。

1.2 调质

对于重要的齿轮用调质来改善钢的性能。在切削加工时,为了不致发生“粘刀”现象和使刀具严重磨损,通过改善金相组织控制钢的硬度。实践证明,为了防止锻造毛坯在预备热处理中产生粒状贝氏体影响钢的力学性能,工艺可采用淬火后680℃～700℃高温回火(即调质)来替代原来的正火。高温回火后得到回火索氏体组织, 即粒状渗碳体均匀的分布在铁素体基体上, 应力集中倾向小,硬度降低至200HB～330HB,切削性能较好。调质钢与正火钢相比不仅强度较高, 而且塑性、韧性远高于后者, 同时锻造应力得到充分的消除, 满足了机械加工要求, 在生产中已取得了良好的经济效益[2]。

2 渗碳处理工艺

2.1 钢的化学成分

20CrMnTi的含碳量为0.20％属于低碳钢,渗碳时保证了碳元素的正常渗入。淬火热处理后心部获得低碳马氏体, 以保证心部具有足够的塑性和韧性,抵抗冲击载荷。钢中合金元素为Cr<1.5％、Mn<1.5％、Ti<1.5％。Cr、Mn合金元素能提高钢铁索体的强度,同时提高钢的淬透性。Ti元素能阻止钢的奥氏体晶粒的长大, 提高钢的回火稳定性。20CrMnTi齿轮根据使用性能要求表面耐磨,心部又要求有良好的强韧性,所以要对20CrMnTi钢进行表面渗碳处理,渗碳淬火后表面得到高碳马氏体, 具有较高的硬度和耐磨性。

2.2 渗碳工艺

渗碳淬火工艺过程中, 要防止齿轮变形, 要严格控制渗碳齿轮的表面碳浓度和渗层深度。因它们会对渗层组织的膨胀系数产生影响, 渗碳后若表面形成不良碳化物分布, 将增加齿形、齿向及花键孔的变形,因此必须控制渗碳时的碳势,以防止表面碳浓度过高和碳量不均匀。渗碳层深度越厚,也将使畸变加大。表面含碳量影响渗碳淬火齿轮的淬透性, 而材料的淬透性对组织、性能、畸变有直接的影响[5]。因此应使渗碳层深度及其表面含碳量控制在合理适宜的范围内。

齿轮渗碳的方法较多,常用气体渗碳,目前应用电解质气相离子(ECA)催渗技术控制渗碳变形也取得较好效果[6]。现以可控井式炉中气体渗碳为例优化工艺, 滴入煤油、苯、甲醇等渗碳剂, 加热温度从一般采用的930℃改为900℃[3]。这些介质在高温下分解,产生活性碳原子,主要化学分解式如下：

2CO→[C]+CO2

CH4→2H2+[C]

活性碳原子溶入钢表面奥氏体中, 并向内部扩散,最后形成一定深度的渗碳层。一般渗碳层深度取决于保温时间, 可按每小时渗入0.2mm～0.25mm的速度估算。渗碳时要控制渗碳的时间、活性碳的浓度,使表面的含碳量控制在0.80 %～1.0 %范围内[4],并从表面到心部逐渐减小,心部仍保持原来低碳钢的含碳量。渗碳的温度越高,时间越长, 奥氏体晶粒越大, 齿轮的畸变越大,把加热温度控制900℃左右,目的是控制奥氏体晶粒长大,获得细小的奥氏体晶粒,淬火后获得细小的马氏体组织。由于渗碳只改变工件表面的含碳量, 要使渗碳齿轮表面具有高的硬度、高的耐磨性和心部良好韧性渗碳后必须进行热处理。常用的是淬火后低温回火。

3 淬火低温回火

3.1 淬火

钢的加热温度一般可根据Fe-Fe3C相图选择,亚共析钢淬火加热温度选择Ac3以上30℃～50℃,过共析钢淬火加热温度选择Ac1以上30℃～50℃。根据渗碳后齿轮的表层含碳量的分布状况及实践经验从900℃预冷到820℃左右进行油冷[3]可以得到好的效果。加热温度过高或保温时间过长,会引起奥氏体的晶粒粗大引起过热或晶界氧化并部分熔化的过烧现象。过热时奥氏体的晶粒粗大不仅降低齿轮力学性能, 也容易引起齿轮的变形和开裂。过烧后的工件只能报废。加热温度过低、保温时间不足会引起硬度不足。故可选择900℃温度渗碳,预冷8 2 0℃ 左右油冷淬火。淬火冷却速度太快,奥氏体向马氏体组织转变剧烈、体积收缩,引起很大的内应力,容易造成齿轮的变形和开裂,由于20CrMnTi是合金钢,淬透性较好,故选择油冷减小冷却速度,防止淬火造成齿轮变形或开裂。同时也能获得马氏体组织,达到较高的硬度。淬火后的钢组织是马氏体及少量残余奥氏体,它们都是不稳定的组织,有向稳定组织转变的趋势,同时淬火时产生内应力。为了减小或消除淬火内应力, 稳定组织和尺寸,获得所需的力学性能,实践证明重载齿轮选择在200℃进行4小时低温回火[3]工艺较好。低温回火时马氏体中过饱和碳原子以碳化物的形式逐步析出, 马氏体晶格畸变程度减弱,内应力有所降低。此时的回火组织由马氏体和碳化物组成, 称为回火马氏体。虽然马氏体的分解使α-Fe中碳的过饱和程度降低,钢的硬度相应下降,但析出的碳化物又对基体起强化作用, 部分的残余奥氏体分解为回火马氏体, 所以钢仍保持很高的硬度和耐磨性和一定的韧性。

4 结语

生产实践证明20CrMnTi渗碳钢齿轮进行热处理工艺优化,可获得良好的力学性能, 不易造成热处理变形开裂和齿轮磨削裂纹,取得良好的经济效果。

参考文献

[1] 单小君.金属材料与热处理(第4版)[M].北京:中国劳动社会保障出版社,2001.

[2] 张亚明,石洪民.20CrMnTi渗碳钢预备热处理后加工困难的原因及改进措施[J].煤炭技术,2003(5).

[3] 王秀芹.如何止渗碳淬火齿轮磨削裂纹的产生[J].煤矿机械,2005(8).

[4] 赵金安.渗碳淬火齿轮磨削裂纹的防止[J].机械传动,2003(4).

[5] 顾敏.材料和热处理工艺对渗碳淬火齿轮畸变的影响[J].机械工人,2007(10).

[6] 张希平, 王安五. 轻型车后桥圆锥齿轮渗碳淬火变形的控制[J].热加工工艺,2001(4).

①作者简介:刘翔(1967—),女,汉族,江苏阜宁人,学士,江苏省盐城技师学院高级讲师,从事机械专业理论教学与教研。