齿轮用22CrNi2MoNbH钢的渗碳工艺
时间：2019-06-13
作者：无锡不锈钢板
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大马力推土机终传动齿轮承受重载荷，要求高的接触疲劳强度和齿根弯曲强度。通过测试分析，选择使用保证淬透性脱气22CrNi2MoNbH，并确定了渗碳、淬火热处理工艺，从而达到图样各项设计指标要求。
美国卡特D6D、D7G 履带式推土机在一般工况条件下的设计寿命为10 000 h，该公司生产D9H 推土机设计使用寿命25 000 h，具有高的性价比。主要件、关键件(变速箱、终传动) 的使用寿命也应达到或超过整机的设计寿命。开发新产品所使用齿轮大部分采用渗碳淬火热处理来达到提高寿命。齿轮寿命主要取决于原材料冶金质量、热处理工艺及达到结果、齿轮加工精度。
大马力推土机终传动的齿轮要求传动重载荷，受空间影响，齿轮的尺寸小，模数大。设计要求小齿轮轴(模数12 mm、齿数12、分度圆直径144 mm、齿宽124 mm) 表面硬度60 ～ 64 HRC、硬化层深度2.2 ～2.8 mm、齿根硬化层深度1.5 mm 以上、心部硬度269 ～ 388 HB，原先使用20CrMoH 钢，经渗碳淬火后，心部硬度低，达不到设计要求。通过查找资料分析、研究，认为确定使用22CrNi2MoNbH 钢进行试制。
1、成分及淬透性测试与分析
齿轮的抗弯曲疲劳能力、抗接触疲劳能力、齿轮的啮合精度三大要素，决定了齿轮的寿命。根据GB /T 5216—2004《保证淬透性结构钢》要求，国内载重齿轮选用20CrNi2MoA、20CrNi2MoH 钢材，对于载重齿轮为了提高心部硬度，要提高齿轮材料的碳含量，一般控制碳含量在0.20% ～ 0.25% (质量分数，下同) ，比20CrNi2MoH 钢的0.17% ～ 0.23% 稍高。而含碳量过高，使得齿轮渗碳淬火畸变大。Ni、Mo 合金元素具有很强的抗氧化能力，Cr 元素次之，Mn 元素抗氧化能力弱，Si 元素最弱。如果渗碳炉中氧势比较高，在高温渗碳过程中，氧原子通过晶界扩散到齿轮表面，将使易氧化的合金元素变成氧化物，丧失合金化能力，降低渗碳层的淬透性；齿轮淬火后表面非马氏体组织超标，接触疲劳强度降低，因此在齿轮钢中提高抗氧化的Ni、Mo 合金元素含量。
在钢中加入微合金元素Nb，Nb 能与N、C 结合，形成氮化物、碳化物，可显著提高再结晶温度，阻止奥氏体晶粒的长大，从而细化晶粒，改善材料的性能。钢材通过脱气处理，使得非金属夹杂物的尺寸减小，级别提高，能够显著提高齿轮接触疲劳强度。钢材达到淬透性带的宽窄、大小影响齿轮的热处理畸变以及齿轮的心部硬度，淬透性带要比标准要求范围小得多，这主要是钢材的冶炼质量提高，化学成分控制严格，波动小的结果。考虑齿轮在渗碳及淬火过程中的畸变，20CrMoH、22CrNi2MoNbH 钢按美国C 型缺口式样经渗碳、淬火后，测得的平均畸变率d分别为3.89%、2.54%。对于模数是12 mm 的齿轮，通常淬透性值以J9 的大小最为关键，J9 = 30 ～42 HRC比较合适，当J9 > 42 HRC 时，材料在渗碳淬火后，不仅畸变量大，而且在使用过程中易产生脆性断裂。淬透性带越窄越好，便于降低热处理畸变。参考日本小松公司使用SNCM420H-K 钢材，并与抚顺特钢公司确定为22CrNi2MoNbH 钢，通过电炉冶炼并进行炉外脱气精炼，。
2、热处理工艺参数确定
2.1、齿轮的工序流程
锻造毛坯—毛坯等温退火—初精加工齿轮—齿轮渗碳—高温回火—齿轮加工(螺纹) —齿轮淬火—齿轮低温回火—精磨齿轮。
2.2、热处理工艺
文献对含Nb 的20CrNi2Mo 钢分别进行880、900、920、940、960 ℃温度下保温1 h 后淬水，之后测奥氏体晶粒度，在920 ℃ 之前晶粒度无变化，940 及960 ℃晶粒有长大，在920 ℃保温10 h 后晶粒没有发生明显的长大，晶粒度为8 ～ 9 级。
2.3、试验结果
毛坯经等温退火后的硬度为156 ～ 207 HB，齿坯具有良好的切削加工性能，能够减少刀具的磨损，延长刀具的寿命。还有稳定渗碳淬火时的畸变。齿轮渗碳及淬火在易普森多用炉中进行的。经长时间渗碳后，要求达到渗碳深度2.4 ～ 3.0 mm，用维氏硬度计进行检测，达到2.6 mm，按550 HV 处的碳浓度w(C) = 0.4%，测得表面碳浓度。
3、结论
1) 22CrNi2MoH 钢的化学成分、淬透性、夹杂物及晶粒度等指标满足大型重载齿轮的设计要求，其制作齿轮各项内在质量指标达到重载齿轮的质量要求。
2) 22CrNi2MoH 钢经920 ℃ ×30 h 渗碳，在840 ℃淬火、180 ℃低温回火后，晶粒度没有异常长大，其工艺是可行的。