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四分之一齒輪熱處理工藝研究

大齒輪是球磨機(jī)上的關(guān)鍵部件,要求其具有良好的綜合力學(xué)性能及齒面的耐磨性能,從而保證磨機(jī)整機(jī)運(yùn)行的質(zhì)量。當(dāng)冶煉、澆注等冶金因素確定之后,金相組織就成為工件力學(xué)性能的決定性影響因素,而化學(xué)成分和熱處理制度對(duì)于工件各部位金相組織的形成又是至關(guān)重要的。不同的熱處理方式、熱處理參數(shù)的改變,對(duì)材料的機(jī)械性能都有不同的影響,從而影響零件的使用性能、使用壽命和失效方式。因此,本文對(duì)大齒輪的熱處理性能和熱處理方式進(jìn)行試驗(yàn)研究,為制定最佳大齒輪的熱處理工藝方案提供依據(jù)。

1.零件尺寸及技術(shù)要求

該零件應(yīng)用在球磨機(jī)上。材料為ZG34Cr2Ni2Mo,直徑達(dá)11560mm,技術(shù)要求為:齒面硬度280~320HBW,力學(xué)性能Re≥700MPa、Rm=950~1000MPa、A5≥12%、Akv≥32J。


2.工藝試驗(yàn)

試驗(yàn)方案:按照我們公司現(xiàn)有加熱設(shè)備能力,大齒輪需要鑄成四分之一進(jìn)行調(diào)質(zhì),由于齒面硬度要求比較高,如果調(diào)質(zhì)后銑齒,硬度高銑齒困難;能否粗銑齒后調(diào)質(zhì),對(duì)于這種高合金鋼鑄造齒輪在熱處理技術(shù)上提出了新的課題。


試驗(yàn)方式是通過(guò)投制小試塊及試塊模擬試驗(yàn)件進(jìn)行工藝模擬,在不同的熱處理制度下進(jìn)行材料性能、齒面硬度及淬透性試驗(yàn),獲得一系列的試驗(yàn)數(shù)據(jù),為制定最佳四分之一齒輪的熱處理工藝方案提供依據(jù),最終保證大齒輪材料性能達(dá)到Re≥700MPa、Rm=950~1000 MPa、A5≥12%、Akv≥32J,齒面硬度達(dá)到280~320HBW,而不產(chǎn)生開(kāi)裂和較大的變形,為今后大型齒輪的生產(chǎn)提供工藝保證。


投制14件試塊,規(guī)格:150mm×150mm×200mm,化學(xué)成份見(jiàn)表1。四分之一齒輪試塊淬火和回火設(shè)備用4.5kW電爐。

表1  試塊化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)

元素

C

Si

Mn

S

P

Cr

Ni

Mo

標(biāo)準(zhǔn)

0.30~0.70

0.30~0.060

0.60~1.00

≤0.035

≤0.035

1.40~1.70

1.40~1.70

0.15~0.35

實(shí)際

0.34

0.37

0.85

0.020

0.013

1.49

1.4

0.22

(1)正火后不同的回火溫度對(duì)材料性能及金相組織的影響  正火工藝為(860±10)℃/3h,空冷。采取不同的回火工藝后,其性能及金相組織見(jiàn)表2。

表2  不同回火工藝后的力學(xué)性能及金相組織

回火工藝

Re/MPa

Rm/MPa

A5(%)

Z(%)

Akv/J

HBW

晶粒度/級(jí)

金相組織

580℃/5h空冷

600℃/5h空冷

770

745

931

900

8.0

10.0

15.0

17.0

15、15、16

18、17、18

282

270

6.5

6.5

回火索氏體+鐵素體

回火索氏體+鐵素體

(2)淬火冷卻介質(zhì)采用油冷,不同的回火溫度對(duì)材料性能及金相組織的影響  淬火工藝為(860±10)℃/3h,油冷。采取不同的回火工藝后,其性能及金相組織見(jiàn)表3。

 表3  不同回火工藝后的力學(xué)性能及金相組織

回火工藝

Re/MPa

Rm/MPa

A5(%)

Z(%)

Akv/J

HBW

晶粒度/級(jí)

金相組織

580℃/5h空冷

600℃/5h空冷

900

835

1040

980

14.0

17.0

45.0

46.0

47、48、50

65、67、69

330

310

7級(jí)

7級(jí)

回火索氏體

回火索氏體

3.試驗(yàn)件的齒面硬度及淬透性試驗(yàn)   

(1)試驗(yàn)件及試驗(yàn)用設(shè)備

試驗(yàn)件外形模仿實(shí)際大齒輪,其有效截面和實(shí)際大齒輪有效截面相同,見(jiàn)圖1,化學(xué)成分見(jiàn)表1。試驗(yàn)件加工路線主要參照四分之一齒輪工藝進(jìn)行:鑄造→鑄后正回火→鑄后粗銑齒→正回火熱處理→解剖分析齒面淬透性及性能→調(diào)質(zhì)→解剖分析齒面淬透性及性能。

圖片

(2)熱處理工藝參數(shù)的制定、淬透性及淬硬性試驗(yàn)

由于試驗(yàn)是模仿實(shí)際四分之一齒輪的生產(chǎn),所以在制定工藝參數(shù)及質(zhì)量控制方面都要按實(shí)際生產(chǎn)考慮。制定出符合四分之一齒輪粗銑齒后熱處理生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制方法和措施,如:原始組織應(yīng)為正回火狀態(tài),如為退火態(tài)要補(bǔ)作正火熱處理,以改善原始組織;此外,對(duì)裝爐方式、爐膛溫度、試驗(yàn)件溫度等實(shí)時(shí)監(jiān)控,用鎧裝熱電偶對(duì)試驗(yàn)件實(shí)際溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。


對(duì)于四分之一齒輪來(lái)說(shuō),如淬透性不足,淬火后就不能獲得足夠厚度的淬硬層,不能獲得足夠數(shù)量的馬氏體,齒面硬度就不能達(dá)到要求,尤其是力學(xué)性能(如屈服強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度)會(huì)顯著降低。如果不能對(duì)零件進(jìn)行具體分析,一律要求保證淬透,就要提高鋼中合金元素含量,導(dǎo)致成本增加,造成浪費(fèi)。


我們對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行粗銑齒后正回火及調(diào)質(zhì)處理,檢測(cè)了其淬透性、淬硬性、力學(xué)性能和金相組織。結(jié)果如下:①粗銑齒后正回火試驗(yàn):正火溫度870℃/3.5h空冷,580℃/7h回火,切50mm后檢測(cè):淬透性、淬硬性、性能及金相組織:見(jiàn)圖2和表4。②粗銑齒后調(diào)質(zhì)試驗(yàn):淬火溫度860℃/3.5h油冷,600℃/7h回火,切100mm后檢測(cè)淬透性、淬硬性、性能及金相組織,見(jiàn)圖3和表5。

表4  正回火后的力學(xué)性能及金相組織

Re/MPa

Rm/MPa

A5(%)

Z(%)

Akv/J

HBW

晶粒度/級(jí)

金相組織

775

940

10.0

14.5

13、12、13

285

6.5  

回火索氏體+鐵素體

表5 調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能及金相組織

Re/MPa

Rm/MPa

A5(%)

Z(%)

Akv/J

HBW

晶粒度/級(jí)

金相組織

845

990

15.5

40.0

67、70、65

313

7級(jí)

回火索氏體

圖片

4.試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)ZG34Cr2Ni2Mo四分之一齒輪試塊淬火后采取不同的冷卻方法、不同溫度回火,其性能變化的規(guī)律是:


(1)正火回火后由于所得組織含有鐵素體,所以,強(qiáng)度、硬度、沖擊較低。


(2)淬火采用油冷后不同溫度回火,隨著回火溫度的升高,零件的強(qiáng)度、硬度降低,塑性和韌性升高,通過(guò)選擇合適的淬火溫度和回火溫度可以滿足材料性能。


 從ZG34Cr2Ni2Mo四分之一齒輪模擬試驗(yàn)件的試驗(yàn)結(jié)果看,實(shí)際生產(chǎn)時(shí)四分之一齒輪淬火采用油冷卻的方法,只要成分控制在要求范圍之內(nèi),不論是材料性能還是齒面硬度都能滿足大齒輪的使用要求,同時(shí)通過(guò)沿齒面硬度的檢測(cè)及機(jī)械性能試驗(yàn),使我們對(duì)該材料的淬透性及淬硬性有所了解。


5.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)此項(xiàng)研究可知,對(duì)于大型鑄造合金結(jié)構(gòu)鋼齒輪,可以四分之一粗銑齒后調(diào)質(zhì)熱處理。在生產(chǎn)過(guò)程中,只要裝爐和起吊過(guò)程采取有效的措施,監(jiān)控好整個(gè)工藝過(guò)程,采用油冷卻的方法選擇合適的回火溫度,使大齒輪達(dá)到所要求的力學(xué)性能和調(diào)質(zhì)硬度要求。

作者:鄒穎,劉艷斌,楊迪,李紅

單位:沈陽(yáng)鑄鍛工業(yè)有限公司

來(lái)源:熱處理生態(tài)圈

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