17Cr2Ni2Mo齒輪軸鍛造工藝研究

郭海萍 張曉旭 遲慶楠

(沈陽鑄鍛工業(yè)有限公司鍛造分公司，遼寧110142)

近日，我公司為某公司生產(chǎn)了一批17Cr2Ni2Mo滲碳高速重載驅(qū)動齒輪軸。其特點是工作載荷大，零件截面大，滿足檢測要求難度大，易粗晶或混晶，工序多，生產(chǎn)制造周期長。該齒輪軸應(yīng)用于出口老撾的8.5 MW半自磨機上，屬于大型高速重載單驅(qū)動齒輪軸。鍛件重11.97 t，鍛件圖如圖1。

圖1 17Cr2Ni2Mo齒輪軸鍛件圖Figure 1 Sketch of 17Cr2Ni2Mo gear shaft forging

該批齒輪軸有效截面尺寸較大，最大外圓尺寸達到?910 mm，在我公司32 MN水壓機上鍛造生產(chǎn)，設(shè)備能力略顯不足，滿足JB/T5000.15—2007中Ⅱ級超聲檢測要求難度大。材質(zhì)為17Cr2Ni2Mo，屬于白點敏感性強、組織遺傳性強的鋼種，鍛后容易出現(xiàn)晶粒粗大現(xiàn)象，鍛后熱處理難度大。本文通過控制原材料、控制鍛造變形過程工藝參數(shù)、控制鍛后熱處理方法來滿足大截面、大噸位軸類鍛件的中心壓實要求。經(jīng)超聲檢測，未發(fā)現(xiàn)超標缺陷顯示，檢測結(jié)果優(yōu)于JB/T 5000.15—2007中Ⅱ級標準。

1 原材料的選擇

(1)該齒輪軸材質(zhì)為17Cr2Ni2Mo，執(zhí)行JB/T 6395—2010《大型齒輪、齒圈鍛件 技術(shù)條件》。在原材料的選用上，優(yōu)選真空精煉鋼錠，內(nèi)控各元素化學成分含量，嚴格控制鋼錠內(nèi)有害元素S、P及H的含量，減少鋼錠原材料本身的夾雜與偏析，并要求保證P≤0.015%，S≤0.010%，[H]≤2×10-6。17Cr2Ni2Mo齒輪軸化學成分要求及實測值如表1所示。

(2)鍛件采用16.2 t真空精煉鋼錠鍛造生產(chǎn)，鍛造溫度范圍為1250～750℃。

表1 17Cr2Ni2Mo齒輪軸化學成分要求及實測值(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition requirements and actual measured values of 17Cr2Ni2Mo gear shaft (Mass, %)

2 鋼錠加熱

加熱的目的是使鋼獲得單一的奧氏體組織，提高塑性，降低變形抗力，同時使分子擴散，成分均勻化。加熱溫度和加熱時間是加熱過程的主要控制參數(shù)，頭幾火次，尤其是鐓粗工序在保證不過燒的情況下，始鍛溫度可以盡可能的高些，一般選擇1250℃，始鍛溫度下的保溫時間應(yīng)選擇長一些，一般選擇每100 mm保溫1～1.5 h，以達到較好的中心壓實效果。最后一火次出成品工序根據(jù)剩余變形量來確定，在保證溫度降至750℃之前順利出成品的情況下，加熱溫度適當?shù)鸵恍话氵x擇1150～1180℃，保溫時間每100 mm選擇0.7～1 h。這樣保證齒輪軸鍛件在要求的剩余鍛比的情況下，能夠得到比較細小的晶粒，保證鍛件的內(nèi)部質(zhì)量達到標準要求。

3 具體鍛造變形過程

17Cr2Ni2Mo齒輪軸鍛造變形過程如表2所示。

一火：壓鉗口，倒棱，錯水口。鋼錠加熱要燒均勻，壓鉗口時要保證鉗口不要偏心，這樣避免在后續(xù)拔長變形過程中鋼錠軸心發(fā)生偏斜，避免大鋼錠中心部位冶金質(zhì)量較差部分流動到危險截面。倒棱可以有效的打碎鋼錠表層的鑄態(tài)組織，提高表面的塑性，防止鐓粗時表面開裂。

二火：鋼錠鐓粗最大圓?1700 mm，保證鐓粗直徑足夠大，以提高鍛比，使齒輪軸的綜合性能指標得到提升。鐓粗后增加保溫時間，有利于金屬元素擴散均勻和改善偏析程度，同時也為鍛造時焊合大截面鍛件心部的空隙缺陷創(chuàng)造了有利條件。因此在鐓粗后、用寬砧拔長前嚴格控制保溫溫度，并將保溫時間增加50%。較高的始鍛溫度、坯料良好的均勻加熱狀態(tài)為寬砧走扁方拔長、進行中心壓實、焊合坯料中心疏松創(chuàng)造了必要條件。

三火：用800 mm寬砧大壓下量走扁方拔長，合理控制布砧位置，針對軸身最大外圓位置，進行局部極限鍛造，最大限度提高軸身的變形量及絕對壓下量，破壞鑄態(tài)組織，鍛合內(nèi)部缺陷，使組織均勻化，充分發(fā)揮寬砧強壓壓實效果，滿足軸身內(nèi)部質(zhì)量。并根據(jù)坯料瞬時尺寸來控制壓下量，控制砧寬比為0.6～0.8。具體操作過程為：上下800 mm寬砧，先將鐓粗后的坯料拔方至□1580 mm。滿砧進給壓下率20%：(1)開始第1次走扁方拔長，以180°翻轉(zhuǎn)，壓至截面1900 mm×1010 mm。(2)翻轉(zhuǎn)90°開始進行第2次走扁方拔長，以180°翻轉(zhuǎn)，壓至截面1520 mm×900 mm。(3)翻轉(zhuǎn)90°壓至截面950 mm。最終拔長至截面□950 mm后，倒棱滾圓，為第2次鐓粗做好準備。

表2 17Cr2Ni2Mo齒輪軸鍛造變形過程Table 2 Forging deformation process of 17Cr2Ni2Mo geat shaft

四火：第2次鐓粗至最大圓?1700 mm。1次鐓粗破碎碳化物等非金屬夾雜物，使化學成分和組織均勻分布，細化晶粒，對均勻力學性能有利。但由于該齒輪軸鍛件有效截面尺寸較大，根據(jù)鍛件力學性能和超聲檢測要求，鍛造比選取K≥4。而16.5 t鋼錠的尺寸為八方960 mm，1次鐓粗拔長不能滿足鍛比的要求，故采用兩次鐓粗拔長工序，增加壓實效果，可以更有效地鍛合內(nèi)部空洞缺陷。

圖2 17Cr2Ni2Mo齒輪軸鍛后熱處理工藝曲線Figure 2 Heat treatment process curve of 17Cr2Ni2Mo gear shaft after forging

五火：同第三火的方法，用800 mm寬砧走扁方拔長至截面□950 mm，入爐加熱。截面尺寸選取正方950 mm，最后一火次剩余鍛造比從最大圓到最小圓分別為1.4、3.4、3.9和4.4，這樣可以在更高的生產(chǎn)效率下保證鍛件小圓部分的內(nèi)部質(zhì)量。

六火：換500 mm砧，按分料圖分料，循環(huán)鍛造出成品。該火次換500 mm砧可以提高拔長效率，避免鍛造小圓部分時溫度過低，從而導致鋼錠變形抗力增大，難以破碎非金屬夾雜物，影響鍛件內(nèi)部質(zhì)量。

4 鍛后熱處理

由于該17Cr2Ni2Mo齒輪軸有效截面尺寸較大，鍛造火次多，組織遺傳性強，為避免該齒輪軸鍛件鍛后存在粗晶、混晶、白點等缺陷，鍛后采用雙重正回火工藝，一次高溫正火細化晶粒、促使夾雜物熔斷，一次常規(guī)的正火處理來調(diào)整組織，為后續(xù)超聲檢測及熱處理做好基礎(chǔ)技術(shù)鋪墊。具體鍛后熱處理曲線如圖2所示。

5 結(jié)論

通過控制原材料、鍛造變形過程工藝參數(shù)和鍛后熱處理的方法，該齒輪軸粗加工后經(jīng)超聲檢測，未發(fā)現(xiàn)超標缺陷顯示，滿足生產(chǎn)需要。

[1] 康大韜，葉國斌. 大型鍛件材料及熱處理[M]. 北京：龍門書局，1998.

[2] 劉助柏，倪利勇，劉國暉. 大鍛件形變新理論新工藝[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2009.