17CrNiMo6齿轮深层渗碳工艺研究.pdf

第期(总第 期)年月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o A u g 文章编号:()C r N i M o 齿轮深层渗碳工艺研究张一坤,王鹏宇,刘伟(山西科技学院,山西晋城 ;太原重工股份有限公司,山西太原 )摘要:针对 C r N i M o 深层渗碳工艺中存在的碳化物超标等问题进行研究,优化渗碳过程中强渗扩散工艺,采用合适的强渗时间与扩散时间之比,确定出 C r N i M o 材质产品深渗层(mm mm)的强渗扩散工艺时间,对不同强扩比的试样进行了金相组织和表面硬度检测,使深渗层的碳含量从大到小平缓过渡,使渗碳淬火工件有足够的硬度、耐磨性及良好的疲劳性能.关键词:深层渗碳工艺;齿轮;C r N i M o 中图分类号:T G 文献标识码:A收稿日期:;修订日期:作者简介:张一坤(),男,山东高唐人,高级工程师,硕士,主要从事金属材料铸造、锻造、热处理工艺研究等工作.引言渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程,也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层,再经过淬火和低温回火,使工件的表面层具有高硬度和耐磨性,而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性.渗碳工件的材料一般为低碳钢或低碳合金钢(含碳量小于 ).渗碳后钢件表面的化学成分可接近高碳钢.工件渗碳后还要经过淬火以得到高的表面硬度高的耐磨性和疲劳强度并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性使工件能承受冲击载荷.渗碳工艺广泛用于飞机汽车和拖拉机等的机械零件,如齿轮、轴、凸轮轴等.评定渗碳件质量好坏的主要参数是渗层深度、表面碳浓度及渗层的碳浓度梯度,而要获得较为精准的渗层深度、合适的表面碳浓度及平缓的碳浓度梯度,除了要有合理的碳势、温度、渗碳总时间外,科学的强渗时间与扩散时间之比也是至关重要的.渗碳工艺通常采用强渗扩散的两段渗碳法,传统工艺对于不同材质、不同硬化层深度没有具体的强扩时间比例,通常采用单一的工艺方式.通过长时间的生产实践发现,该时间比例只是在一定渗层范围内、一定材料成分(渗层较浅)较为合适,而对渗层较深的 C r N i M o 零件,按的比例来分配强渗期和扩散期时间,受限于不同材料成分的合金元素差异,采用传统工艺存在碳化物超标等弊端,对于 C r N i M o 材质,因合金系数较高,在 mm以上的深层渗碳生产中,极易产生块状碳化物,导致所得渗层存在次表层碳浓度高、过渡层碳浓度梯度陡等质量问题,这将影响零件的加工和使用性能.为改善深层渗碳的质量,本文对强渗和扩散的形式进行了工艺试验,并结合金相分析和表面硬度检测,找出了适合不同渗层范围的强渗和扩散时间之比.试验设备和试样规格本试验采用设备为爱协林渗碳淬火多用炉,如图所示,工艺曲线如图所示.图渗碳淬火多用炉图渗碳试验工艺曲线采 用 的 试 样 为 直 径 mm、高 度 mm的 C r N i M o 材质圆形试棒,其化学成分如表所示.传统渗碳工艺首先对传统的强渗时间与扩散时间之比为的工艺开展试验,强渗期碳势 左右,扩散期碳势 左右.强渗阶段采取高碳势,使表面碳元素快速渗入金属,达到一定的渗层深度;扩散阶段采取较低碳势,一方面继续增加渗层,另一方面降低表面碳浓度,避免表面块状碳化物的产生.采用渗碳层 mm、m m、m m对应的传统渗碳工艺时间,如表所示.表工艺试验试样化学成分表(质量分数)成分CS iM nC rM oN iSP标准要求 实测值 表强渗与扩散之比为渗碳时间渗层(mm)材料强渗时间(h)扩散时间(h)强扩比 C r N i M o C r N i M o C r N i M o 试验后将渗碳淬火试样线切割取样,经镶嵌制样检测金相组织,在表层存在明显的块状碳化物,根据检测标准J B/T 评定为级至级(如图、图所示),在后续磨齿过程中存在较大的磨齿开裂风险.图传统工艺的级块状碳化物图传统工艺的级网状碳化物试验表明:采用强渗时间与扩散时间之比为进行 mm以上深层渗碳时,表面碳化物超标,原因为强扩结构不合理,长时间的强渗碳势形成了较深的碳化物,在后期的扩散过程中无法有效消除.优化工艺试验及结果为解决上述问题,对原有强渗与扩散的工艺时间结构进行优化试验.为了寻找合理的扩散比,按强渗时间t与扩散时间t之比分别为 和 进行工艺试验,渗碳碳势不变,即强渗期碳势,扩散期碳势,优化后的两种渗碳工艺时间如表所示.试验:按强渗时间与扩散时间之比为,所得试样渗层的金相组织较强扩比的有所改善,但在表层仍存在块状碳化物(如图所示),根据检测标准J B/T 评定为级,在后续磨齿过程中存在磨齿开裂风险.表强扩散比分别为 和 渗碳时间渗层(mm)材料强渗时间(h)扩散时间(h)强扩比 C r N i M o C r N i M o C r N i M o C r N i M o C r N i M o C r N i M o 试验:按强渗时间与扩散时间之比为,所得试样渗层的金相组织较强扩比 的进一步改善,从过析层的最表层到次表层碳化物均匀减少,从共析层到过渡层直到心部,珠光体量均匀减少,表面碳化物呈现细小圆状颗粒分布,如图所示,在表层存在块状碳化物,根据检测标准J B/T 评定为级至级,可有效避免零件在后续磨齿过程中产生开裂的风险.图强扩比为 碳化物照片图强扩比为 碳化物照片对强扩比为 与传统强扩比为 渗碳层分别为 m m、mm、mm的试样进行表面硬度检测与对比,在每个试样的表面检测个点,结果如表所 示.由 表可 知:表 面 硬 度 无 明 显 差 别,均 在机 械 工 程 与 自 动 化 年第期HR C HR C 之间,满足渗碳淬火技术要求.表传统工艺与优化工艺表面硬度对比传统强扩比工艺优化后强扩比 工艺 mm试样 mm试样 mm试样 mm试样 mm试样 mm试样HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C HR C 结论通过对 C r N i M o 材质深渗层(m m m m)强扩比例的改进,在合适的碳势、温度、渗碳总时间前提下,将传统的渗碳法规定的强渗时间与扩散时间之比 优化为 ,对深渗层(mm mm)的强渗扩散工艺时间给出了指导参数,优化后的工艺使工件表面碳浓度梯度从大到小平缓过渡,渗碳淬火后的工件有足够的硬度、耐磨性及良好的疲劳性能,对今后的 C r N i M o 大型重载齿轮渗碳淬火的使用性能、弯曲强度以及接触 疲劳强度的 改善具有积 极的意义.参考文献:龙郑易,刘咏,贺跃辉,等渗碳时间对梯度硬质合金显微组织和抗弯强度的影响J中国有色金属学报,():刘少军,王培科齿轮渗碳碳化物级别偏高的原因分析及解决措施J金属加工(热加工),():热处理手册 编委会热处理手册M第版北京:机械工业出版社,S t u d yo nD e e pC a r b u r i z i n gP r o c e s so f C r N i M o G e a rZ H A N GY i k u n,WA N GP e n g y u,L I U W e i(S h a n x i I n s t i t u t eo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,J i n c h e n g ,C h i n a;T a i y u a nH e a v yI n d u s t r yC o,L t d,T a i y u a n ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ep r o b l e mo f e x c e s s i v e c a r b i d e i n C r N i M o d e e pc a r b u r i z i n gp r o c e s sw a s s t u d i e d T h e s t r o n g i n f i l t r a t i o na n dd i f f u s i o np r o c e s s i nt h ec a r b u r i z i n gp r o c e s s i so p t i m i z e d,t h ea p p r o p r i a t er a t i oo fs t r o n gi n f i l t r a t i o nt i m et od i f f u s i o nt i m e i sd e t e r m i n e d,a n dt h es t r o n gi n f i l t r a t i o na n dd i f f u s i o np r o c e s st i m eo ft h ed e e pc a r b u r i z e dl a y e r(mm mm)o f C r N i M o p r o d u c t si sd e t e r m i n e d T h em i c r o s t r u c t u r ea n ds u r f a c eh a r d n e s so ft h es a m p l e sw i t hd i f f e r e n ts t r e n g t h t o e x p a n s i o nr a t i ow e r et e s t e d T h ec a r b o nc o n t e n to f t h ed e e pc a r b u r i z e dl a y e rc h a n g e ss l o w l yf r o ml a r g et os m a l l,s ot h a tt h ec a r b u r i z i n ga n dq u e n c h i n gq u a l i t yh a ss u f f i c i e n th a r d n e s s,w e a r r e s i s t a n c ea n dg o o df a t i g u ep r o p e r t i e s K e y w o r d s:d e e pc a r b u r i z i n gp r o c e s s;g e a r;C r N i M o(上接第 页)切屑综合分析通过对上述指标的分析,确定了切屑形态的最佳研究指标,进而定量分析切屑形成过程.针对D Z 材料空心车轴和错齿B T A钻削系统,可调整机床的切削速度和进给量,分析切屑的各评价指标,选择最合理的切削条件.实际加工过程中,为了更好地排出切屑,可增大进给量而增加断屑效果,获得短小的“C”型切屑,顺畅排屑.B T A深孔钻削的切削条件应首先选取合理的切屑断屑率(C B R)指标,确定D Z 材料的深孔加工最合理的切削条件.实际应用中,切屑断屑率C B R 时,可获得短小的“C”形碎屑,断屑效果良好.某公司采用德国T B T ML 型深孔机床对孔径为 mm的D Z 型空心车轴进行加工,设置切削速度为 m/m i n,主轴旋转速率为 r/m i n,进给量为 mm/r,进给速度为 mm/m i n,切削液流量为 L/m i n时,深孔加工排屑顺畅,效果最佳.结语()通过对D Z 材料动车空心车轴的钻削测试得到的切屑进行分析,总结了深孔切屑的基本形态,建立了深孔切屑评价指标,并进行了定量分析.通过分析切削速度、进给量与各评价指标的相互关系,建立了深孔钻削的基本评价体系.()试验了D Z 材料动车空心车轴的最佳切削条件,并从切屑断屑率(C B R)等指标入手对其进行了分析.()测试了实际生产过程中与断屑有关的因素,总结了控制断屑形态的方法,并在应用中通过设