熱脹工藝對(duì)20Cr2Ni4A滲碳齒輪鋼組織性能的影響

蔡志海， 殷 暢， 張 平， 柳 建

(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械產(chǎn)品再制造國(guó)家工程研究中心， 北京 100072)

熱脹工藝對(duì)20Cr2Ni4A滲碳齒輪鋼組織性能的影響

蔡志海， 殷 暢， 張 平， 柳 建

(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械產(chǎn)品再制造國(guó)家工程研究中心， 北京 100072)

為了研究熱脹工藝對(duì)20Cr2Ni4A滲碳齒輪鋼力學(xué)性能及顯微組織的影響，對(duì)齒輪鋼進(jìn)行熱脹處理并去掉原有滲碳層再重新滲碳，利用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)、X射線應(yīng)力測(cè)試儀、多功能表面性能測(cè)量?jī)x，分別測(cè)量和對(duì)比分析了試樣熱脹處理前后晶粒尺寸和表面形貌、殘余奧氏體含量和殘余應(yīng)力顯微硬度以及摩擦學(xué)性能。結(jié)果表明：熱脹后晶粒尺寸增大，表面殘余奧氏體含量增加，表面顯微硬度、耐磨性能提高，表面殘余應(yīng)力值減小。這些參量的變化說明熱脹工藝對(duì)20Cr2Ni4A滲碳齒輪鋼的力學(xué)性能和顯微組織有較大的改變，為后續(xù)研究熱脹工藝對(duì)接觸疲勞壽命優(yōu)劣的分析提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

熱脹工藝； 滲碳齒輪鋼； 耐磨性能； 顯微硬度

齒輪、彈簧和標(biāo)準(zhǔn)件并稱為機(jī)械制造工業(yè)的三大基礎(chǔ)件，是機(jī)械設(shè)備傳動(dòng)過程中必不可少的通用零件[1]。齒輪在服役過程中會(huì)因各種原因而失效，不僅影響了生產(chǎn)，也帶來了安全隱患。國(guó)內(nèi)外科技工作者對(duì)齒輪修復(fù)進(jìn)行研究，總結(jié)出了幾種常規(guī)的修復(fù)方法，如調(diào)整換位法、變位加工法、鑲齒(圈)法、堆焊法、刷鍍法和熱噴涂法等[2-5]，但每種修復(fù)方法都具有局限性，無法滿足修復(fù)后齒輪的服役性能。熱脹工藝是利用磨損齒輪具有充足的設(shè)計(jì)裕度，對(duì)磨損后的齒輪進(jìn)行熱脹處理,使其達(dá)到再次服役標(biāo)準(zhǔn)的一種減材再制造修復(fù)工藝技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)外采用熱脹工藝修復(fù)滲碳齒輪的研究鮮見報(bào)道?；诖?，參考文獻(xiàn)[6]，筆者以某重載車輛變速箱中滲碳齒輪為研究對(duì)象，將失效報(bào)廢后的20Cr2Ni4A滲碳齒輪鋼材料加工成一定形狀并對(duì)其進(jìn)行熱脹處理，對(duì)比研究熱脹前后齒輪材料的組織性能，以期為熱脹工藝修復(fù)滲碳齒輪的實(shí)際運(yùn)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料制備與表征

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與制備

實(shí)驗(yàn)材料為20Cr2Ni4A鋼，其化學(xué)成分為：ω(C)=0.20%，ω(Si)=0.25%，ω(Mn)=0.52%，ω(Cr)=1.50%，ω(Ni)=3.52%，ω(P)≤0.02%，ω(S)≤0.005%。將其加工成尺寸為40mm×30mm×10mm的試樣，滲碳熱處理工藝流程參照滲碳齒輪制造工藝流程[7]，如圖1所示，此試樣不作熱脹處理。在磨損失效后的齒輪上切除一部分材料，并加工成與上述尺寸相同的試樣，然后進(jìn)行熱脹處理。

圖1 滲碳熱處理工藝流程

選用0.5T的壓力機(jī)在830 ℃對(duì)磨損試樣進(jìn)行熱脹擠壓，使其沿寬度方向向外擴(kuò)張，熱脹后測(cè)量顯微硬度沿滲碳層深方向的分布情況，如圖2所示。可以看出：熱脹后滲碳層深1.25mm處的顯微硬度值為523HV。根據(jù)《鋼件滲硬淬火硬化層深度的測(cè)定和校核》 (GB9450—2005)[8]規(guī)定，從零件表面到維氏硬度值550HV的距離為滲碳層深度。由此可以得出：熱脹后需要去除的滲碳層深在1.25mm左右，考慮到二次滲碳后試樣表面有氧化皮及脫碳層，因此熱脹后在寬度方向去除約2mm厚的滲碳層是合適的。此后對(duì)試樣進(jìn)行重新滲碳熱處理，熱處理工藝流程與圖1所示的流程相同。

圖2 顯微硬度沿滲碳層深的分布

1.2 表征手段

采用Philips Quant200型掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)觀察熱脹前后滲碳層的表面形貌。采用3D激光共聚焦顯微鏡測(cè)量熱脹前后的三維形貌。采用X-350A型X射線應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)量滲碳層中殘余奧氏體含量和殘余應(yīng)力，衍射晶面為(220)，其主要技術(shù)參數(shù)為X射線管功率300W，掃描方式θ～θ掃描，2θ最小步距為0.01°。

采用MICROMRET-6030型多功能表面性能測(cè)量?jī)x測(cè)量顯微硬度，對(duì)熱脹前后2個(gè)試樣從滲碳層表面到心部間隔一定距離進(jìn)行線切割，同一深度上測(cè)3～5個(gè)點(diǎn)取平均值,并繪制顯微硬度曲線,其施加載荷為0.98N，加載時(shí)間為15s。采用MFT-4000多功能材料表面性能測(cè)試儀進(jìn)行往復(fù)摩擦試驗(yàn)，測(cè)試熱脹前后滲碳層的干摩擦性能，其中：摩擦條件為室溫，干摩擦，摩擦副使用直徑4mm的ZrO2陶瓷球，其硬度達(dá)到1 500HV以上；試驗(yàn)條件為載荷30N，摩擦速度200mm/min，摩擦行程2mm，摩擦?xí)r間30min。

2 結(jié)果與討論

2.1 滲碳層組織對(duì)比

圖 3為熱脹前后滲碳齒輪鋼滲碳層表面的金相圖?？梢钥闯觯簾崦浐鬂B碳層表面的針狀馬氏體晶粒尺寸較熱脹前大，表明在重新滲碳過程中晶粒出現(xiàn)長(zhǎng)大的現(xiàn)象。晶粒長(zhǎng)大的原因可能是：在第2次滲碳過程中加熱保溫時(shí)間長(zhǎng)，奧氏體晶粒出現(xiàn)長(zhǎng)大的趨勢(shì)，從而導(dǎo)致在淬回火過程中生成的馬氏體晶粒尺寸較大，這將會(huì)縮短滲碳齒輪鋼接觸疲勞壽命。

圖3 熱脹前、后滲碳齒輪鋼滲碳層表面金相圖

2.2 顯微硬度對(duì)比

圖4為熱脹前后滲碳齒輪鋼顯微硬度隨層深的分布情況?？梢钥闯觯簾崦浨皾B碳齒輪鋼的最大顯微硬度值為651HV，在距離表面約300μm處；熱脹后滲碳齒輪鋼的最大硬度值為726HV，在距離表面約400μm處，滲碳齒輪鋼的顯微硬度值隨層深的增加呈逐漸減小的趨勢(shì)，且較熱脹前有明顯增大。熱脹后滲碳齒輪鋼的顯微硬度增大的原因可能為：齒輪鋼經(jīng)過2次滲碳過程后，表面及其以下的滲碳層區(qū)域的碳含量增大，經(jīng)淬回火熱處理后生成了更多的馬氏體。

圖4 熱脹前后滲碳齒輪鋼顯微硬度隨層深分布情況

2.3 耐磨性能對(duì)比

摩擦因數(shù)是表征材料耐摩擦磨損的一個(gè)重要參數(shù)，一般情況下，摩擦因數(shù)越小，材料的耐磨性能越好[9]。圖5為熱脹前后滲碳試樣表面在同一載荷下的摩擦因數(shù)，可以得出：熱脹前最大摩擦因數(shù)為0.729，平均摩擦因數(shù)為0.568；熱脹后最大摩擦因數(shù)為0.665，平均摩擦因數(shù)為0.54。這說明熱脹后的試樣耐磨性能比熱脹前有所提升。

圖5 熱脹前后滲碳試樣表面在同一載荷下的摩擦因數(shù)

圖6為熱脹前后試樣磨損表面三維形貌圖。由圖6可以得出：熱脹前摩擦磨損的深度為4.1μm，寬度為321μm；熱脹后摩擦磨損的深度為3.5μm，寬度為254μm。這說明熱脹后摩擦磨損的深度和寬度都比熱脹前的要小，即在同等摩擦磨損的條件下，熱脹后滲碳層的耐磨性能優(yōu)于熱脹前的耐磨性能。

圖6 熱脹前后滲碳層摩擦磨損的三維形貌圖

圖7為熱脹前后滲碳層摩擦磨損微觀形貌SEM圖?？梢钥闯觯号c熱脹前相比，熱脹后滲碳層淺層剝落的面積和深度減小，表明熱脹后滲碳層耐磨性能較熱脹前的好；滲碳層表面經(jīng)過摩擦磨損后存在許多均勻光滑的平行溝槽，表明滲碳層的磨損形式主要為磨料磨損。產(chǎn)生磨料磨損的原因?yàn)椋耗Σ粮鄙系奈⑼贵w或脫落的硬質(zhì)顆粒在法向載荷施加的壓力作用下嵌入材料表面，并隨著摩擦副往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使材料表面發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，形成一條條犁溝。與此同時(shí)，摩擦副在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程中，由于摩擦生熱引起接觸表面溫度升高而導(dǎo)致粘焊，易發(fā)生粘著磨損。因此，熱脹前后滲碳層摩擦磨損主要表現(xiàn)為磨粒磨損和粘著磨損。

圖7 熱脹前后滲碳層摩擦磨損微觀形貌SEM圖

2.4 表面殘余奧氏體含量及殘余應(yīng)力對(duì)比

X-350A型X射線應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)量結(jié)果為：熱脹前滲碳層殘余奧氏體含量為11%，殘余應(yīng)力值為-400MPa，為殘余壓應(yīng)力；熱脹后滲碳層殘余奧氏體含量為20%，殘余應(yīng)力值為-289MPa。這說明熱脹后殘余奧氏體含量較熱脹前有明顯增大，而殘余應(yīng)力值有一定幅度的減小，其原因?yàn)椋簾崦浐蟮?次滲碳使?jié)B碳層表面碳濃度提高，生成更多的奧氏體，盡管淬回火熱處理會(huì)轉(zhuǎn)變成馬氏體，但仍有部分殘余，再加上熱脹后滲碳層去除不完全，使其比熱脹前的滲碳層表面殘余奧氏體含量高。殘余應(yīng)力值的大小主要取決于殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變量的多少，殘余奧氏體含量越高，轉(zhuǎn)變生成的馬氏體量越小，殘余壓應(yīng)力就會(huì)越小。

3 結(jié)論

20Cr2Ni4A滲碳齒輪鋼經(jīng)過熱脹工藝處理后，鋼的組織和性能得到顯著的改變：熱脹后齒輪鋼沿層深方向的顯微硬度值明顯高于熱脹前，熱脹后齒輪鋼的耐磨性能較熱脹前有所提高，熱脹后滲碳層表面的殘余奧氏體含量較熱脹前有一定增加，殘余應(yīng)力值較熱脹前有一定幅度的降低。這些參量的變化表明熱脹工藝提高了20Cr2Ni4A滲碳齒輪鋼性能，為后續(xù)20Cr2Ni4A滲碳齒輪鋼接觸疲勞壽命分析提供了試驗(yàn)依據(jù)。

[1] 張英才.車用齒輪鋼及其應(yīng)用技術(shù)的某些發(fā)展[J].汽車技術(shù),2004,39(10):22-26.

[2] 趙麗娟，史輝.齒輪傳動(dòng)中磨損問題的研究及修復(fù)方法的綜述[J].中國(guó)機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007,5(2):243-247.

[3] 徐萍.齒輪的磨損失效及修復(fù)[J].甘肅冶金，2010,32(1):112-113.

[4] 吉云亮,張瑞東.齒輪修復(fù)方法及應(yīng)用研究[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2008(2):35-37.

[5] 張?zhí)?梁文杰,大型齒輪磨損后的堆焊修復(fù)工藝[J].工藝與新技術(shù),2005(4):35-36.

[6] 伏洛維克EЛ.零件修復(fù)手冊(cè)[M].楊守立，譯.北京：人民交通出版社,1989:56-57.

[7] 張悅，霍松波，黃一新.齒輪鋼的開發(fā)與生產(chǎn)[J].齒輪鋼的開發(fā)與生產(chǎn)，2003(1)：17-19.

[8]GB/T9450—2005鋼體滲碳淬火硬代層深度的測(cè)定和校核[S].

[9] 朱明.材料熱處理原理及工藝[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2013:48-50.

(責(zé)任編輯: 尚菲菲)

Effect of Thermal Expansion Technology on Properties of 20Cr2Ni4A Carburized Gear Steel

CAI Zhi-hai, YIN Chang, ZHANG Ping, LIU Jian

(National Engineering Research Center for Mechanical Product Remanufacturing, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

In order to study the effect of thermal expansion technology on 20Cr2Ni4A carburized gear steel mechanical properties and microstructure and remove the original carburized layer and carburize again the gear steel after thermal treatment, using Scanning Electron Microscope (SEM), X-ray stress tester and multifunctional surface properties measuring instrument, the sample grain size, surface topography, residual stress and residual austenite content, micro-hardness and surface roughness are measured and compared before and after treatment. The results show that the grain size refinement, the residual austenite content, the surface roughness value, and the surface micro-hardness increase significantly, the residual stress decrease obviously. The changes of these parameters show that the thermal expansion technology impacts markedly on 20Cr2Ni4A carburized gear steel mechanical properties and microstructure, which provides experimental basis for study of the thermal expansion technology on contact fatigue life.

thermal expansion technology; carburized gear steel; wear-resisting; micro-hardness

2016-09-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405510)

蔡志海(1979-)，男，副研究員，博士。

TG146

：ADOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.06.021

1672-1497(2016)06-0113-04