20Cr2Ni4A钢齿轮的热处理

来源:浙江永嘉县一泰热处理有限公司作者:施家山

一种20Cr2Ni4A钢齿轮要求进行渗碳淬火处理,达到0.8~1.0mm的渗层深度、58~62HRC的表面硬度和34~45HRC的心部硬度。试验了3种渗碳淬火工艺,最后确定的热处理工艺为:920℃渗碳4h缓冷,650℃高温回火4h炉冷至350℃空冷,810℃保温3h油淬,190℃回火两次。

20Cr2Ni4A钢属高碳合金渗碳钢,Cr、Ni含量特别是Ni含量较高,淬透性好,具有优良的综合力学械性能,一般用于制造重要零件,如重载、大模数齿等。用这种钢制造的齿轮,渗碳后直接淬火,渗层残留奥氏体较多,淬火后硬度达不到技术要求。渗碳后空冷,进行二次淬火,也不能消除大量残留奧氏体,同样影响淬火硬度,必须采用较复杂的渗碳淬火工艺,才能满足齿轮的技术要求。生产中曾走了不少弯路,齿轮表面硬度总是偏低,还有齿轮开裂、畸变等问题。通过反复试验,最终解决了这一难题。齿轮简图见图1。

1、技术要求

(1)渗碳层深度0.8~1.0mm。

(2)表面硬度58~62HRC,心部硬度34~45HRC,同一齿轮硬度值差不超过2HRC。

齿轮简图

图1 齿轮简图

(3)渗碳层碳化物1~3级,应为均匀分布的细小粒状,不得有针状和连续网状分布的碳化物;马氏体+残留奥氏体1~4级,马氏体应为细小针状;心部应为板条低碳马氏体及少量铁素体,1~4级。

2、原材料化学成分

齿轮用20Cr2Ni4A钢的化学成分列于表1,成份符合标准要求。

表1 齿轮用20Cr2Ni4A钢的化学成分(质量分数,%)

齿轮用20Cr2Ni4A钢的化学成分

3、热处理工艺试验

3.1、预先热处理

为细化晶粒和减少畸变,齿轮渗碳前进行正火处理,工艺为密封箱式炉900℃保温2.5h,在缓冷室冷至200℃以下空冷,然后650℃回火4h,炉冷至350℃空冷,结果硬度为200~210HB。

3.2、渗碳、淬火

(1)方案1密封箱式炉920℃渗碳4h,强渗期碳势1.2%扩散期碳势1.0%(下同),降温至830℃(碳势0.9%)保温0.5h,直接油淬(油温75~80℃,低速搅拌),冷至室温后190℃回火两次。

(2)方案2密封箱式炉920℃渗碳4h,在缓冷室冷至200℃以下出炉空冷;810℃(碳势1.05%)保温3h油淬(油温75~80℃,低速搅拌),冷至室温后190℃回火两次。

(3)方案3密封箱式炉920℃渗碳4h,在缓冷室冷至200℃以下出炉空冷,650℃回火4h,炉冷至350℃空冷;810℃(碳势1.05%)保温3h油淬(油温75~80℃,低速搅拌),冷至室温后190℃回火两次。

4、试验结果

对经三种工艺渗碳、淬火的随炉试样(尺寸25mm×10mm)和齿轮进行检测,渗碳层深度用硬度法测定,显微组织等级依据重载齿轮JB/T6141·3-1992标准评定。

(1)试样和齿轮的表面硬度列于表2。按方案1、2处理的试样心部硬度为43.8~45.6HRC,而按方案3处理的试样心部硬度为42.3~43.6HRC。

表2 3种渗碳淬火工艺齿轮表面硬度/HRC

3种渗碳淬火工艺齿轮表面硬度/HRC

(2)按方案1和2处理的试样显微组织如图2所示,渗碳层碳化物1级,马氏体3~4级,有大量残留奥氏体,心部铁素体2~3级;按方案3处理的试样的显微组织如图3所示,渗碳层碳化物1级,马氏体1级,残留奥氏体2~3级,心部铁素体2~3级。

按方案1和2渗碳、淬火的试样的渗层

图2 按方案1和2渗碳、淬火的试样的渗层(a)和基体(b)的显微组织×600

5、工艺分析

20Cr2Ni4A钢渗碳后直接淬火,因渗碳层残留奥氏体较多,致使表面硬度太低,仅54~55HRC。渗碳后缓冷也不能直接重新加热淬火,因为经渗碳淬火后,渗层组织中也有较多的残留奥氏体,从而影响淬火后的表面硬度。经二次淬火,仍有较多残留奥氏体。对这类高合金渗碳钢,必须采用特殊的热处理工艺,即通过高温回火消除残留奥氏体。高温回火工艺为650℃加热后炉冷至350℃以下,使马氏体和残留奥氏体分解为回火索氏体,降低渗层中铬、碳的含量。重新淬火加热时,由于奥氏体中熔入的铬、碳等元素含量减少,稳定性降低,淬火后残留奥氏体减少,能获得高的表面硬度。

在渗碳层的深度和碳浓度符合要求后,选择恰当的淬火温度对提高齿轮使用寿命至关重要。由于20Cr2Ni4A钢临界点Ac1和Ac3之间温度范围较窄,Ac3为780℃,故可选择较低的淬火温度810℃,既可保证表面和心部硬度,同时齿轮畸变也会减小。

按方案3渗碳、淬火的试样的渗层

图3 按方案3渗碳、淬火的试样的渗层(a)和基体(b)的显微组织×600

试验结果表明,采用第三种方案渗碳淬火后,齿轮质量稳定,表面硬度58.8~59.7HRC,心部硬度42.3~43.5HRC,渗层深度0.85~0.97mm,马氏体1级,残留奥氏体2~3级,心部为板条状马氏体+少量铁素体,畸变小,各项质量指标均符合技术要求。齿轮装机使用3年多来,运行良好,未发生质量事故,得到用户好评。现己批量生产,获得满意的经济效益和社会效益。

6、结论

(1)20Cr2Ni4A钢渗碳后直接淬火有较多的残留奥氏体。渗碳后缓冷,650℃回火炉冷至350℃空冷,可有效降低残留奥氏体,提高表面的淬火硬度。

(2)20Cr2Ni4A钢齿轮渗碳后经810℃油淬、190℃回火两次,能满足齿轮的各项技术要求。