等溫正火工藝的突破
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對汽車齒輪質(zhì)量的要求越來越高，針對齒輪服役條件失效形式的分析指出，對齒輪材料的性能要求是高的彎曲疲勞強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度和耐磨性，較高的強(qiáng)度和韌性，以及較好的熱處理工藝性能。齒輪滲碳鋼主要有CrMn系、CrMo系、CrMnTi系、CrNiMo系、CrNi系鋼等。對于汽車變速箱齒輪、后橋齒輪根據(jù)其性能和失效分析得出，普通的CrMo系、MnCr系、CrMnTi系鋼達(dá)不到技術(shù)要求，需采用性能更好的CrNiMo系鋼。CrNiMo系鋼合金元素含量略高，如18CrNiMo7-6、17CrNiMo6、19CrNiMo7-6加入的Mo、Ni等晶界強(qiáng)化合金元素，以提高輪齒強(qiáng)度和韌性，特別是滲碳層韌性，從而增強(qiáng)了齒輪的疲勞強(qiáng)度和過載能力。
一、19CrNiMo7-6材料熱處理工藝
1、19CrNiMo7-6材料常規(guī)正火工藝齒輪材料的技術(shù)指標(biāo)主要有：化學(xué)成分、力學(xué)性能、淬透性、晶粒度和表面質(zhì)量等。Cr是最常用的一種合金元素，它能提高鋼的淬透性并有二次硬化作用；在滲碳鋼中，Cr能形成含鉻碳化物，從而提高齒輪表面耐磨性。Ni也是一種常用的強(qiáng)化元素，它在鋼中強(qiáng)化鐵素體并細(xì)化珠光體，總的效果是提高強(qiáng)度，對鋼的韌性、塑性以及其他工藝性能的損害較其他合金元素影響小。Mo在滲碳鋼中能提高淬透性和熱強(qiáng)性，防止回火脆性，增加回火抗力，同時(shí)還能在滲碳層中降低碳化物在晶界上形成連續(xù)網(wǎng)狀的傾向，減少滲碳層中的殘留奧氏體，相對增加了表面層的耐磨性。對于19CrNiMo7-6材料采用常規(guī)正火處理[1]，由于正火后的冷卻速度不可控，金相組織為貝氏體加少量的鐵素體，硬度偏高，在275HBW左右，再增加一遍高溫回火，硬度在190～230HBW。采用普通的等溫正火后，易得到先共析鐵素體加少量貝氏體組織，硬度偏高，達(dá)到200～230HBW，不影響后續(xù)的切削加工。等溫正火工藝的不易控制之處在于奧氏體化加熱保溫后，要出爐空冷至等溫溫度附近，再入等溫爐進(jìn)行等溫，此處空冷溫度不易控制，受季節(jié)、氣溫波動性影響很大[2]。對于此類材料我們生產(chǎn)過減速大齒輪、輸出軸等，對于正火不穩(wěn)定，可以通過犧牲冷加工的性能來保證成品。
隨著公司的發(fā)展，外資客戶主動找到我們開發(fā)19CrNiMo7-6材料的后橋弧齒錐齒輪齒坯。材料要求從國外進(jìn)口，采用等溫退火。金相及硬度要求如下：要求等溫退火后在齒部外徑20%范圍內(nèi)不得有貝氏體，其余位置有≤10%的貝氏體，硬度要求156～187HBW；等溫退火后不可以二次熱處理（高溫回火降低硬度）；帶狀組織≤4級；對于軸承部位及齒部的硬度、金相組織都要檢測。根據(jù)我們車間設(shè)備的現(xiàn)狀，很難達(dá)到要求。從客戶提供的信息來看，國外是可以達(dá)到的，并且采用的是連續(xù)式等溫退火爐，具體是網(wǎng)帶式、推盤式還是棍棒式，因保密原因不得而知，但采用等溫退火工藝確信無疑。
二、網(wǎng)帶式等溫退火爐的研制
根據(jù)客戶提供的信息，我們詢問了國內(nèi)制造等溫正火爐的廠家是否可以達(dá)到這個(gè)要求，調(diào)查資料顯示有的正火爐廠家可以做出符合要求的產(chǎn)品，于是對使用這家正火爐的企業(yè)進(jìn)行了解，結(jié)果顯示硬度要求160～190HBW，經(jīng)常能達(dá)到200～207HBW，但也就只能達(dá)到這個(gè)水平了。后來硬度要求提高到170～210HBW（硬度高了可以通過高溫回火來降低）。因此有的廠家建議采用推盤式退火爐似乎效果好于網(wǎng)帶式退火爐，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，采用推盤式退火爐能耗太大，成本高。經(jīng)過慎重考慮還是找一家國內(nèi)占有率高的網(wǎng)帶式等溫正火爐廠家咨詢，客戶推薦選擇蘇州九禾工業(yè)爐有限公司，于是我們就與其合作開發(fā)網(wǎng)帶式等溫退火爐。所謂等溫退火是將齒坯加熱至奧氏體化后，迅速冷卻到珠光體相變區(qū)等溫，直至相變完成后再自由空冷，防止產(chǎn)生粒狀貝氏體，使顯微組織和硬度均勻，從而改善齒坯的加工性能，并減少后續(xù)的熱處理變形，提高齒輪品質(zhì)和生產(chǎn)效率，特別是適宜于高淬透性，易產(chǎn)生粒狀貝氏體的齒輪材料。根據(jù)資料查到17CrNiMo6鋼的等溫退火工藝：加熱至950℃、保溫150min；風(fēng)冷至660℃，保溫150min。齒輪毛坯硬度為173～197HBW，金相組織為塊狀珠光體加鐵素體。19CrNiMo7-6硬度要求156～187HBW，等溫溫度660℃及等溫時(shí)間是否可以優(yōu)化。經(jīng)查資料得出，工件在加熱區(qū)溫度高、時(shí)間長有利于組織均勻，在等溫區(qū)合適的溫度，長時(shí)間等溫利于組織轉(zhuǎn)變完全，利于硬度降低。因此，我們要求工件在加熱爐停留的時(shí)間不低于250min，在等溫區(qū)的時(shí)間不低于270min，工件以最快速度進(jìn)入等溫爐。對于等溫1區(qū)保溫性能要好，對于風(fēng)冷區(qū)工件由加熱區(qū)進(jìn)入等溫區(qū)溫度降低不得大于50℃，風(fēng)冷區(qū)要求密封性要好。但是對于處理普通材料要求冷卻性能要好，這是爐子設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
三、工藝優(yōu)化
為了便于工藝優(yōu)化，我們查了17CrNiMo6和19CrNiMo7-6這兩種材料的化學(xué)成分，見表1。
表1 17CrNiMo6和19CrNiMo7-6兩種材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）對比 （%）
根據(jù)化學(xué)成分對比，沒有太大差別。對于19CrNiMo7-6連續(xù)-時(shí)間-溫度轉(zhuǎn)變圖（見圖1），等溫-時(shí)間-溫度轉(zhuǎn)變圖（見圖2）。
圖1 19CrNiMo7-6連續(xù)-時(shí)間-溫度轉(zhuǎn)變圖
圖2 19CrNiMo7-6等溫-時(shí)間-溫度轉(zhuǎn)變圖
根據(jù)轉(zhuǎn)變圖可以看出，溫度在650℃轉(zhuǎn)變速度最快。但是，為了保證產(chǎn)品性能穩(wěn)定，我們在670℃及635℃也做了試驗(yàn)。等溫退火工藝是加熱溫度940℃、保溫250min，以35s速度進(jìn)入等溫區(qū)，等溫溫度分別選擇了670℃、650℃、635℃，保溫時(shí)間270min。金相組織檢測如圖3～圖8所示，硬度及金相檢測結(jié)果見表2。
圖3 670℃齒部金相
圖4 670℃桿部金相
圖5 650℃齒部金相
圖6 650℃桿部金相
圖7 635℃齒部金相
圖8 635℃桿部金相
表2 硬度及金相檢測結(jié)果
根據(jù)檢測結(jié)果可以看出，采用這三種等溫溫度，工件的金相、硬度都是合格的。但隨著等溫溫度的降低，硬度有上升的趨勢。工件發(fā)到歐洲檢測，也是合格的。
四、結(jié)束語
經(jīng)過一年多的運(yùn)行，質(zhì)量很穩(wěn)定，滿足了客戶要求。網(wǎng)帶式等溫退火爐的研制成功，大大降低了等溫退火的費(fèi)用，為企業(yè)創(chuàng)造了價(jià)值。
參考文獻(xiàn)：
[1] 黃潔雯，葛艷明，周凌云，等.18CrNiMo7-6鋼的等溫正火工藝研究[C].第十二屆全國高校金相與顯微分析學(xué)術(shù)年會，2009.
[2] 劉金鑫，馮桂萍，程麗杰，等.正火冷卻速度對18CrNiMo7-6鋼齒輪鋼組織和硬度的影響[J].特殊鋼，2013，34（1）：66-68.
作者：郝豐林，江蘇雙環(huán)齒輪有限公司
蔣勇，蘇州工業(yè)園區(qū)久禾工業(yè)爐有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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