淬透性細(xì)化分級(jí)8620H鋼的熱處理性能研究

海俠女，楊 揚(yáng)，黃太偉，范王展，桂偉民，何亮亮

(陜西法士特齒輪有限公司，陜西 西安 710119)

隨著企業(yè)產(chǎn)品類(lèi)型多樣化的發(fā)展趨勢(shì)及對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來(lái)越高，對(duì)鋼材的淬透性細(xì)化分級(jí)是必要的。淬透性是鋼材淬火時(shí)得到淬硬層深的能力，是其固有屬性，只與其化學(xué)成分(合金元素種類(lèi)及含量)以及晶粒度等有關(guān)，淬透性越小，淬火畸變量也就越小，心部硬度越小。因此，按照零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能要求，對(duì)同一鋼種進(jìn)行不同淬透性等級(jí)區(qū)分，做到零件類(lèi)別與所用鋼種淬透性級(jí)別的一一對(duì)應(yīng)，為零件選擇更合理的鋼材，以獲得理想的強(qiáng)度和精度。按照所用材料的淬透性，制定合理的熱處理工藝，包括適宜的淬火介質(zhì)(類(lèi)型、溫度及攪拌強(qiáng)度)，以獲得理想的硬度層分布和心部硬度[1]。

各企業(yè)一般經(jīng)過(guò)技術(shù)評(píng)估及生產(chǎn)驗(yàn)證，對(duì)同一鋼種的不同淬透性等級(jí)所適用于的零件結(jié)構(gòu)會(huì)進(jìn)行區(qū)分和說(shuō)明，同時(shí)，零件所采用的熱處理工藝也會(huì)區(qū)分，比如某公司的同步器按照半馬距定位法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分類(lèi)，并制定相應(yīng)的鋼材淬透性等級(jí)，其新開(kāi)發(fā)的26CrMnTiH鋼主要通過(guò)控制J3 mm和J4.5 mm處的淬透性，對(duì)淬透性進(jìn)行了兩檔分級(jí)，分別適用于薄壁小模數(shù)和稍大模數(shù)同步器齒套的單件淬火[2]。我國(guó)常用20CrMnTiH鋼的淬透性分級(jí)為H1～H6，各企業(yè)根據(jù)自身產(chǎn)品特點(diǎn)，對(duì)不同檔的淬透性端淬值要求有差異[3-5]。據(jù)有關(guān)資料可知，一些世界知名企業(yè)均有完備的鋼材體系標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)企業(yè)內(nèi)部的產(chǎn)品對(duì)關(guān)鍵核心鋼種進(jìn)行了淬透性細(xì)化分級(jí)要求，如某公司對(duì)20CrMo鋼及其改性鋼材用版本號(hào)區(qū)分淬透性的低、中、高等級(jí)；某公司對(duì)17NiCrMoS6鋼的淬透性級(jí)別進(jìn)行了由低到高的4個(gè)等級(jí)區(qū)分。因此，本公司也展開(kāi)對(duì)所用鋼種的淬透性細(xì)化分級(jí)工作。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 淬透性細(xì)化分級(jí)設(shè)計(jì)

根據(jù)我公司鋼材的應(yīng)用情況可知，在我公司廣泛使用的鋼種為8620H鋼，此鋼種為美標(biāo)Cr-Ni-Mo系鋼，采用的冶煉工藝為：電爐或轉(zhuǎn)爐冶煉—爐外精煉(LF)—真空脫氣(VD或RH)—連鑄或模鑄。我公司對(duì)8620H鋼的淬透性進(jìn)行細(xì)化分級(jí)，規(guī)定8620H鋼為低淬透性級(jí)別，8620H2鋼為高淬透性級(jí)別。兩者的化學(xué)成分及淬透性設(shè)計(jì)如表1所示，相較于8620H鋼而言，8620H2鋼的C元素化學(xué)成分上下限要求均提高0.01%，Mn元素和Cr元素化學(xué)成分上下限要求均提高0.05%；8620H2鋼各J點(diǎn)的淬透性上下限要求大約提高了5 HRC，淬透性帶寬要求不變，均為6～7 HRC。

表1 試驗(yàn)鋼的設(shè)計(jì)化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)及淬透性

1.2 試驗(yàn)方法

選用試驗(yàn)零件為副箱中間軸，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1，基本加工工序?yàn)殄懺臁志?chē)—滾剃齒—熱處理—熱后加工。

圖1 副箱中間軸的結(jié)構(gòu)示意圖

在環(huán)形熱處理爐進(jìn)行滲碳淬火試驗(yàn)，主要分為加熱區(qū)、滲碳區(qū)、降溫區(qū)、淬火區(qū)、回火區(qū)，常用工藝參數(shù)為溫度、周期、碳勢(shì)。

零件的熱處理技術(shù)指標(biāo)包括硬化層深、心部硬度(C點(diǎn)和D點(diǎn)，如圖2所示)、表面硬度、殘留奧氏體級(jí)別、非馬氏體組織。其中，齒面硬化層深要求為1.15～1.65 mm，齒根硬化層深要求≥0.8 mm，心部硬度C點(diǎn)要求為30～45 HRC，心部硬度D點(diǎn)要求為≥25 HRC。采用TUKON 2500顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬化層深檢測(cè)，采用4150洛氏硬度計(jì)進(jìn)行心部硬度和表面硬度檢測(cè)，采用A1m光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。殘留奧氏體含量根據(jù)QC/T 262—1999《汽車(chē)滲碳齒輪金相檢驗(yàn)》采用金相法測(cè)得。

圖2 心部硬度位置說(shuō)明

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 淬透性細(xì)化分級(jí)

按照化學(xué)成分和淬透性的設(shè)計(jì)要求，隨機(jī)抽測(cè)統(tǒng)計(jì)8620H鋼和8620H2鋼的實(shí)測(cè)化學(xué)成分和淬透性，各主元素的實(shí)測(cè)化學(xué)成分及淬透性如表2所示。

表2 試驗(yàn)鋼的實(shí)測(cè)化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)及淬透性

淬透性是鋼材的一種屬性，主要和鋼材的化學(xué)成分有關(guān)，低碳合金鋼C含量增加，降低了臨界冷卻速度，淬透性提高；而8620H鋼中的主合金元素Mn、Mo、Cr、Ni中Mn降低臨界冷卻速度的程度最高，Ni降低臨界冷卻速度的程度最低，當(dāng)此4種主合金元素含量同時(shí)提高時(shí)，大大降低了臨界冷卻速度，使得鋼材的淬透性顯著提高[6-8]。如表2所示，將8620H鋼和8620H2鋼的主元素實(shí)測(cè)化學(xué)成分范圍進(jìn)行對(duì)比可知，高淬透性級(jí)別8620H2鋼中C、Mn、Ni、Cr、Mo的實(shí)測(cè)化學(xué)成分范圍均有所提高，且在要求范圍的中上限，因此，在C和各主合金元素實(shí)控范圍提高后，淬透性得到提高，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

2.2 熱處理性能結(jié)果分析

2.2.1 相同熱處理工藝下的熱處理性能結(jié)果

如圖3所示，1號(hào)熱處理工藝的強(qiáng)滲溫度925 ℃，強(qiáng)滲碳勢(shì)1.20%C，擴(kuò)散溫度865 ℃，擴(kuò)散碳勢(shì)0.85%C，淬火工藝的快攪拌速度為1500 r/min，慢攪拌速度為1400 r/min，工位節(jié)拍時(shí)間為25.5 min。8620H鋼和8620H2鋼的副箱中間軸在1號(hào)熱處理工藝下，實(shí)測(cè)技術(shù)指標(biāo)如表3所示，可知，8620H鋼副箱中間軸的C點(diǎn)心部硬度為下限值，D點(diǎn)心部硬度為23.6 HRC(≤25 HRC的設(shè)計(jì)要求)，實(shí)際生產(chǎn)中確實(shí)存在一定比例的心部硬度不合格問(wèn)題。此外，可以看出相較于8620H鋼，8620H2鋼副箱中間軸的齒面層深提高0.1 mm，齒根層深提高0.2 mm，C點(diǎn)和D點(diǎn)心部硬度提高6 HRC左右。同時(shí)，根據(jù)等效硬度法[9]，8620H2鋼的副箱中間軸C點(diǎn)硬度為37.5 HRC，約等于此鋼材J5/16處的端淬值37 HRC，D點(diǎn)硬度為28.0 HRC，約等于此鋼材J8/16處的端淬值28.6 HRC，同樣，8620H鋼也符合此規(guī)律，因此，副箱中間軸C點(diǎn)硬度值等效為J5/16處的端淬值，D點(diǎn)硬度值等效為J8/16處的端淬值。

表3 試驗(yàn)鋼經(jīng)1號(hào)熱處理工藝后的試驗(yàn)結(jié)果

圖3 1號(hào)熱處理工藝示意圖

2.2.2 高淬透性材料的不同熱處理性能分析

8620H2鋼的副箱中間軸在不同熱處理工藝周期下的實(shí)測(cè)熱處理技術(shù)指標(biāo)如表4所示，可知隨著滲碳時(shí)間的縮短，8620H2鋼副箱中間軸的齒面和齒根的滲碳層深逐漸減小，工位節(jié)拍時(shí)間從25.5 min逐漸縮短至20.5 min，齒面層深由1.67 mm縮短至1.35～1.47 mm，而設(shè)計(jì)要求為1.15～1.65 mm，設(shè)計(jì)中值為1.40 mm，齒根層深、心部硬度均合格，故工位節(jié)拍時(shí)間確定為20.5 min。

表4 不同熱處理工藝下8620H2鋼的實(shí)測(cè)結(jié)果

由于8620H2鋼淬透性比8620H鋼的要高，在目前的淬火工藝下，實(shí)測(cè)副箱中間軸熱處理后齒形齒向及累積跳動(dòng)的合格率降低，故需優(yōu)化淬火工藝。

此外，8620H2鋼副箱中間軸的齒部在進(jìn)行線切割取樣檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，齒頂處存在宏觀裂紋，如圖4所示，齒頂經(jīng)腐蝕后，在裂紋附近并未發(fā)現(xiàn)脫碳、氧化等異常組織，裂紋兩側(cè)組織一致，即裂紋為熱處理后產(chǎn)生，推測(cè)為熱處理后因齒頂結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力大、齒頂表面碳勢(shì)高、在線切割時(shí)應(yīng)力得不到緩慢釋放，故在齒頂處產(chǎn)生裂紋。

圖4 8620H2鋼齒頂處的裂紋形貌

為了進(jìn)一步減小熱處理后的齒部變形、避免取樣檢測(cè)的齒頂裂紋情況，因此，強(qiáng)滲碳勢(shì)由1.20%C降低至1.15%C，擴(kuò)散溫度由865 ℃降低至855 ℃，同時(shí)，將熱處理淬火工藝中快攪速度1500 r/min、慢攪速度1400 r/min優(yōu)化為快攪速度1000 r/min、慢攪速度800 r/min。參數(shù)優(yōu)化后的熱處理工藝示意圖如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的2號(hào)熱處理工藝示意圖

在優(yōu)化后工藝下繼續(xù)試驗(yàn)及小批量驗(yàn)證，副箱中間軸的齒面剖檢熱處理滲碳層深范圍為1.29～1.65 mm，符合齒面滲碳層1.15～1.65 mm的設(shè)計(jì)要求，心部硬度C點(diǎn)范圍為35.6～44.20 HRC，D點(diǎn)范圍為27～35 HRC，與8620H鋼副箱中間軸在1號(hào)熱處理工藝下的技術(shù)指標(biāo)相比，8620H2鋼副箱中間軸在2號(hào)熱處理工藝下的心部硬度C點(diǎn)提高約10 HRC，D點(diǎn)提高約5 HRC，符合圖紙要求。實(shí)測(cè)熱處理后的副箱中間軸齒形齒向及累積跳動(dòng)合格率得到提升，8620H2鋼副箱中間軸在2號(hào)熱處理工藝下的齒部精度合格率與8620H鋼副箱中間軸在1號(hào)熱處理工藝下的相當(dāng)。

此外，優(yōu)化工藝處理后的副箱中間軸線切割取樣時(shí)，齒頂并未發(fā)生宏觀裂紋。因此，8620H2鋼副箱中間軸的最終熱處理工藝可確定工位節(jié)拍時(shí)間為20.5 min，強(qiáng)滲溫度925 ℃，強(qiáng)滲碳勢(shì)1.15%C，擴(kuò)散溫度855 ℃，擴(kuò)散碳勢(shì)0.85%C，快攪速度1000 r/min，慢攪速度800 r/min，快攪時(shí)間240 s。

根據(jù)以上試驗(yàn)及實(shí)際生產(chǎn)情況，高淬透性級(jí)別8620H2鋼適用于模數(shù)≥4.5的齒輪、軸類(lèi)零件，比如副箱減速輪、中間軸等，而低淬透性級(jí)別8620H鋼適用于模數(shù)2～4.5的齒輪、軸類(lèi)零件，比如一檔齒輪、二檔齒輪等。

3 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)化學(xué)成分的微調(diào)，實(shí)現(xiàn)8620H鋼種的淬透性細(xì)化分級(jí)，高淬透性級(jí)別8620H2鋼比低淬透性級(jí)別8620H鋼的各J點(diǎn)端淬值高約5～6 HRC。

2)相同熱處理工藝下，高淬透性8620H2鋼副箱中間軸的齒部心部硬度比低淬透性8620H鋼的要高出5～6 HRC、齒面層深增加0.1 mm。

3)相比于低淬透性8620H鋼副箱中間軸熱處理工位節(jié)拍時(shí)間為25.5 min，高淬透性8620H2鋼副箱中間軸的熱處理工位節(jié)拍時(shí)間可縮短為20.5 min，且考慮到齒頂應(yīng)力大、熱后齒部精度降低的問(wèn)題，對(duì)碳勢(shì)、溫度進(jìn)行小幅度降低，并優(yōu)化淬火工藝；具體工藝參數(shù)：工位節(jié)拍時(shí)間20.5 min，強(qiáng)滲溫度925 ℃，強(qiáng)滲碳勢(shì)1.15%C，擴(kuò)散溫度855 ℃，擴(kuò)散碳勢(shì)0.85%C，快攪速度1000 r/min，慢攪速度800 r/min，快攪時(shí)間240 s，可滿足生產(chǎn)要求。

4)通過(guò)對(duì)不同淬透性級(jí)別8620H鋼在副箱中間軸上的應(yīng)用研究，可知高淬透性級(jí)別8620H2鋼適用于模數(shù)大(≥4.5)的齒輪、軸類(lèi)零件，低淬透性級(jí)別8620H鋼適用于模數(shù)小(2～4.5)的齒輪、軸類(lèi)零件。