履帶式推土機(jī)滲碳齒輪熱處理工藝現(xiàn)狀

段友全，邵夫奎，潘凡軍

DUAN You-quan, SHAO Fu-kui, PAN Fan-jun

（1.山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272073；2.濟(jì)寧市天翔機(jī)械制造有限公司，山東 濟(jì)寧 272400）

目前，國產(chǎn)162～235kW的大功率履帶式推土機(jī)產(chǎn)品的變速箱及終傳動的齒輪的壽命已由6000h提高到8000～10000h，但仍與國外著名企業(yè)產(chǎn)品存在一定差距。如何選用合適滲碳齒輪材料及熱處理來保證齒輪質(zhì)量及壽命是工作的關(guān)鍵。本文綜合國內(nèi)外履帶式推土機(jī)的滲碳齒輪所用材料進(jìn)行分析，并介紹了國內(nèi)滲碳齒輪的熱處理工藝現(xiàn)狀。

1 國內(nèi)外履帶式推土機(jī)齒輪用鋼現(xiàn)狀

1.1 國外滲碳齒輪鋼應(yīng)用情況

日本小松公司滲碳齒輪用SCM420H、SCM822H-K、SNCM420H、SNCM420H-K，做變速箱、終傳動及螺傘配對的齒輪。對需要滿足高淬透性和對心部韌性要求高的材料，主要選用齒輪用鎳鉻鉬鋼SNCM420H-K。

美國卡特公司采用1E1054以及SAE（美國汽車協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)）的鋼種。變速箱使用8620H、8720H，終傳動的齒輪采用含Ni高的鋼4320H等。

淬透性帶越窄越好，便于降低熱處理畸變。主要廠家的淬透性寬窄幅度見表1。

1.2 國內(nèi)齒輪應(yīng)用鋼材情況

國產(chǎn)履帶式推土機(jī)應(yīng)用最多的是20CrMnTi、20CrMo、20CrMnMo、20CrNi2Mo等鋼種，通過引進(jìn)日本小松、美國卡特公司先進(jìn)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，開展齒輪零件熱處理工藝試驗及研究，先后研制、開發(fā)了新的滲碳齒輪用鋼：20CrMoH、20CrNiMoH、20CrNi2MoH， 新 鋼的使用大大提高了齒輪使用壽命。

表1 國外大公司對滲碳齒輪淬透性帶寬要求

20CrMnTi由于價格低，工藝成熟，仍是國內(nèi)使用最普遍的滲碳鋼。20CrMoH鋼冶煉工藝穩(wěn)定，淬透性帶較窄易控制，與20CrMnTi材料相比，熱處理畸變低，滲層有良好的淬透穩(wěn)定性，適用模數(shù)更大的齒輪。撫順鋼廠按日本小松SCM420H、SNCM420H、SNCM420H-K研制開發(fā)的20CrMoH、20CrNiMoH、22CrNi2MoNbH鋼，分別適合m＜5、5≤m＜8、8≤m模數(shù)的齒輪用材，其化學(xué)成分、機(jī)械性能、淬透性、非金屬夾雜物、晶粒度都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其實物的表面硬度、硬化層深度、心部硬度、組織狀態(tài)等都滿足圖紙要求。

我公司通過最近3年使用的數(shù)批次的22CrNi2MoNbH鋼統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，[O]在16～20ppm之間，淬透性范圍J1.5＝43～46HRC、J9＝34～38HRC、J15＝29～31HRC，晶粒度6～8級，非金屬夾雜物A、B、D的細(xì)系最高1.5級，粗系及C細(xì)系均為0級。制作小齒輪（齒數(shù)12、模數(shù)9；齒數(shù)12、模數(shù)12）經(jīng)滲碳、淬火回火后表面硬度在61～64HRC、硬化層深度2.3～2.7mm、心部硬度及尺寸變形都滿足圖樣要求。

2 齒輪的設(shè)計要求

1）齒輪的疲勞強(qiáng)度 通常與硬度和抗拉強(qiáng)度成正比?？ㄌ毓?、小松公司對重載的履帶式推土機(jī)的滲碳齒輪要求表面硬度為60～64HRC，GB/T3480.5標(biāo)準(zhǔn)推薦表面硬度為58～64HRC。疲勞壽命受原材料冶金因素尤其是淬透性性、鋼的純凈度、殘余應(yīng)力等影響大。

2）齒輪的純凈度 主要是非金屬夾雜物的數(shù)量、類型、大小、分布，純凈度對疲勞影響比化學(xué)成分、顯微組織、應(yīng)力梯度的影響更大。因此鋼材冶煉時進(jìn)行脫氣處理，降低氧化物、硅化物等夾雜物，提高齒輪的抗點(diǎn)蝕和剝落能力。

3）硬化層深度 以齒輪的抗點(diǎn)蝕和抗剝落性能為主，硬化層可以選擇深一些。但只要能夠滿足承受最大接觸應(yīng)力或最大切應(yīng)力就可以。

4）心部硬度 主要受鋼材淬透性的影響，齒輪的心部硬度最佳為30～41HRC，如果心部硬度過低，齒輪使用過程中容易造成硬化層壓碎；如果硬度過高，齒表面殘余應(yīng)力將降低，因而降低了齒輪接觸疲勞強(qiáng)度，導(dǎo)致齒輪副嚙合不良，使齒輪局部應(yīng)力集中，產(chǎn)生噪音和振動，以致造成點(diǎn)蝕和剝落。兩家公司要求硬化層深度及心部硬度范圍見表2。卡特公司、小松公司為提高齒輪接觸疲勞性能對齒輪的分度圓和齒寬中部區(qū)域的齒面留有鼓形量（0～0.005）。

3 履帶式推土機(jī)滲碳齒輪熱處理

多年來，卡特公司、小松公司對大模數(shù)齒輪的熱處理畸變進(jìn)行研究，總結(jié)出變形特點(diǎn)和規(guī)律，在滲碳前，預(yù)留畸變形，而使熱處理變形對齒面有一定的補(bǔ)償。滲碳后，根據(jù)齒輪材料不同，有的采用直接淬火，有的需要重新加熱淬火，達(dá)到所要求的表面硬度和心部硬度后，再在專用淬火機(jī)床上淬火，達(dá)到最佳的滲層深度和心部硬度，獲得高的心部韌性和小的變形，保證合適的齒輪精度。

表2 齒輪模數(shù)與硬化層深度、心部硬度要求

要提高工程機(jī)械齒輪的質(zhì)量，除選擇合適的材料外，還必須對熱處理工藝進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)范，尤其是要有好的熱處理設(shè)備來保證，通過引進(jìn)大量的國外熱處理設(shè)備（例如：易普森多用爐、格里森淬火壓床等），大大提高了滲碳齒輪的質(zhì)量，其設(shè)備的精度、生產(chǎn)能力、制造技術(shù)水平與國外同步。

齒輪鍛坯的預(yù)先熱處理與齒輪的變形有關(guān)，工程機(jī)械滲碳齒輪鍛造毛坯均要經(jīng)過正火處理，目的是調(diào)整鋼件的顯微組織和硬度，改善加工性能。也可采用等溫正火工藝，能使零件組織和硬度均勻，減少滲碳淬火齒輪的有效方法之一。應(yīng)用新型的齒輪用鋼22CrNi2MoNbH，提高鋼材純凈度，降低氧含量，降低非金屬夾雜物的大小，控制淬透性帶的寬窄，控制化學(xué)成分的波動，從而減少熱處理畸變。

4 結(jié) 語

履帶式推土機(jī)的滲碳齒輪的壽命所受的影響因素很多，除是冶金因素化學(xué)成分、淬透性及夾雜物的影響外，更多的是受熱處理工藝影響，熱處理決定了齒輪的表面硬度、硬化層深度及心部硬度，從而決定了齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度即齒輪壽命，要控制好各個因素的影響，提高履帶式推土機(jī)齒輪壽命。

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