滲碳對17CrNiMo6鋼大截面齒輪軸鍛件的硬度影響研究

權國輝，張海英

(鄭州職業(yè)技術學院 材料科學與工程系，河南 鄭州 450121)

大型鍛件產品是電力、冶金、石化、造船、鐵路、礦山、航空航天、軍工、工程等裝備的基礎部件，是產業(yè)鏈上不可缺少的重要一環(huán)，其發(fā)展水平是衡量一個國家綜合實力的重要標志[1-2]。某廠生產的17CrNiMo6大截面齒輪軸是球磨機傳動系統(tǒng)的重要組成部分，其生產過程一般為冶煉、鍛造、滲碳、淬回火等。

滲碳處理是對金屬表面處理的一種常用方法，一般應用于低碳鋼和低碳合金鋼。經過滲碳處理后的工件表面的化學成分類似于高碳鋼，而工件的心部依然保持著低碳鋼的特性。工件經過滲碳處理之后，一般還要進行調質處理或者淬火回火等工藝，讓金屬能夠具有良好的強度、較高的表面硬度及抗疲勞強度[3]。由于17CrNiMo6鋼齒輪軸基體含碳量一般為0.17%～0.20%，屬低碳鋼，所以通過滲碳工藝可使齒部表面1～10 mm轉變?yōu)楦咛间摚X面硬度達到57～61 HRC，芯部硬度達到34～38 HRC，從而使齒輪軸齒部表面可獲得較好的強度、硬度、耐磨性，以提高嚙合的壽命，而芯部仍保留良好的韌性，以滿足傳動等需求。

經滲碳處理后的齒輪軸鍛件整體具有較高的硬度、抗疲勞性能，并能承受較大的沖擊載荷，在工業(yè)上得到廣泛的應用[4-5]。但是由于齒輪軸工作狀況十分復雜，使用中易發(fā)生磨損、斷裂等問題，且維修占用工時多、停車次數多、時間長，給生產造成嚴重的影響[6]。硬度問題是17CrNiMo6鋼齒輪軸滲碳件的主要問題，主要表現(xiàn)為齒面硬度值偏低，使其抗剪切強度和抗疲勞性能下降，在使用過程中易造成齒面表層產生疲勞裂紋，不僅明顯影響了熱處理的品質，還對齒輪的使用留下隱患。因此，提高17CrNiMo6鋼齒輪軸滲碳件硬度，對于提高其使用壽命和質量控制水平具有重要意義。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料為φ142 mm×330 mm的17CrNiMo6鋼齒輪軸3個。經取樣進行化學成分分析，其主要化學成分如表1所示，可看出，材料化學成分符合該廠生產大截面齒輪軸指定專用材料17CrNiMo6鋼的成分要求。

表1 試驗用17CrNiMo6鋼錠化學成分(質量分數，%)

1.2 試驗方法

17CrNiMo6鋼齒輪軸鍛件采用液體滲碳，滲劑為異丙醇，保護氣體為氮氣、甲醇，滲碳溫度為930 ℃。齒輪軸鍛件滲碳后碳濃度顯著提高，但滲碳后的空冷使?jié)B碳層產生大量的殘余奧氏體，弱化了齒輪軸表面的硬度。因此，本試驗采用滲碳后的深冷處理、增加回火次數、提高回火溫度等方法來減少殘余奧氏體，以提高產品強度和硬度。

1.2.1深冷處理減少殘余奧氏體

在滲碳后，淬火剛剛完成還未進行回火時，采用表面敷干冰的方法對齒輪軸試樣做深冷處理，如圖1所示。再對試樣齒輪軸做深冷前后硬度對比試驗。

1.2.2提高回火溫度減少殘余奧氏體

在滲碳后的回火工藝中，通過提高回火溫度減少殘余奧氏體?；鼗鸸に囌{整前，齒輪軸采用低溫回火工藝為180 ℃回火三次，硬度達不到要求。工藝調整后后，采用200 ℃回火兩次，200～230 ℃一次。再對試樣齒輪軸做工藝調整前后硬度對比試驗。

圖1 滲碳齒輪軸敷干冰深冷處理Fig.1 Deep cold treatment by covering dry ice on the surface of carburizing gear shaft

2 試驗結果及分析

2.1 深冷處理后硬度值升高

在不同狀態(tài)下對試樣齒輪軸做深冷前后硬度對比試驗，經里氏硬度計測量齒頂圓硬度。結果表明，齒輪軸經淬火后深冷，硬度明顯增高，如表2所示。通過深冷處理使殘余奧氏體繼續(xù)向馬氏體轉變，一般用在剛剛淬火完成還未進行回火時，目的一是使奧氏體繼續(xù)轉化為馬氏體；二是穩(wěn)定殘余奧氏體，回火處理時殘余奧氏體分解。

2.2 提高回火溫度后硬度值升高

由于200～300 ℃回火區(qū)間，是馬氏體分解和殘余奧氏體轉變?yōu)橄仑愂象w和回火馬氏體綜合作用區(qū)間，所以200 ℃兩次回火+230 ℃一次回火后，殘余奧氏體向馬氏體轉變使回火應力減小。試樣齒輪軸提高回火溫度后硬度提高，見表3。

表2 試樣齒輪軸深冷前后硬度對比

表3 試樣齒輪軸提高回火溫度前后硬度對比

3 結論

1)在滲碳后，對17CrNiMo6鋼齒輪軸做深冷處理，可以提高其硬度值。

2)提高回火溫度，增加回火次數，可以提高17CrNiMo6鋼齒輪軸硬度值。