重载齿轮的热处理工艺研究范文

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摘要：

通过对18Cr2Ni4WA材料的渗碳、淬火过程的研究，最终制定了采煤机摇臂内所用重载齿轮的热处理工艺。

关键词：

渗碳；淬火；18Cr2Ni4WA

18Cr2Ni4WA钢中所含合金总量大于5％而不到10％，属于高强度中合金钢，具有良好的综合力学性能，特别适合制造性能要求高，横截面比较宽的机械零件，而采煤机摇臂中所使用的重载齿轮就是这样一类零件。由于采煤机中重载齿轮的热处理技术要求为表面硬度HRC58－62，硬化层深最高2．3mm，要想达到这么高的硬度和硬化层深度，必须要进行表面渗碳［1］。

1合金元素对

18Cr2Ni4WA的影响表1中表示的为18Cr2Ni4WA中合金元素的含量，由于该钢种中镍的含量比较高，且含有一定量的铬元素，因此该钢材拥有良好的强韧性和淬透性，但是该钢种中还含有少量的钨元素，使该钢的珠光体转变起始曲线推迟，导致空冷也会发生贝氏体转变。在合金渗碳之后，该钢种渗层内的Ms由之前的300℃降低到100℃以内，经过渗碳空冷后的组织为一部分马氏体和大量残余奥氏体，直接影响淬火后的硬度。若要消除空冷产生的残余奥氏体，必须在保证所需组织不发生相变的前提下高温回火，促进残余奥氏体的转变，从而使得淬火后得到较多的马氏体，达到技术要求。

2热处理工艺研究

2．1材料预处理对毛坯进行一次正火，正火温度为940℃，目的是为了消除毛坯锻造过程中产生的残余应力，同时细化晶粒，均匀组织。正火之后会产生大量的残余奥氏体，为了减少这些残余奥氏体，可以采用两个办法：第一，采用深冷处理来促进奥氏体向马氏体的转变；第二，重新进炉回火，通过回火减少连续冷却转变过程中产生的残余应力，促进残奥向马氏体的转变，由于在此转变过程中又会产生新的应力，故需要多次回火。一般采用第二个办法。

2．2渗碳

2．2．1渗碳设备渗碳过程所选用的是型号为RQ3－90－9的井式渗碳炉，炉子的电脑控制用的是北京汇捷通科技有限公司的控制仪，可以通过调整煤油和甲醇的滴入量来控制炉内碳势，从而模拟渗碳过程。

2．2．2渗碳原料本次渗碳使用的原料是煤油和甲醇，煤油作富化气，甲醇作为调节气和保护气氛，考虑到将大量煤油和甲醇装入高空储备桶中再通过地下输送管道滴定压力可能会不够，所以直接在井式炉盖上安装2个桶，分别盛放甲醇和煤油。

2．2．3渗碳工艺参数的设定渗碳后工件表面碳含量的多少，碳化物的级别对工件的使用有很大的影响（见表2）。如果渗碳过程中碳势设定过高，渗碳时间过长，则渗碳层很容易形成网状或大块状的碳化物，导致局部淬透性下降，淬火以后形成非马氏体组织，使渗碳工件的疲劳强度和表面硬度降低，并且降低工件的疲劳寿命和耐磨性。如果渗碳过程中碳势设定过低，渗碳时间不足，则渗碳层内的碳含量不足以达到淬火后工件设定的热处理技术要求，导致表面硬度过低，增加工件工作过程中的损耗，造成耐磨性能下降，抗冲击性能下降，影响齿轮寿命，降低产品质量。由表2中可观察出，当强渗阶段碳势控制在1．2，扩散阶段碳势控制在0．8的时候，试样经过检测，表层内含有弥散分布的小块碳化物，碳化物级别为1～2级（见图2），这种状态下的渗碳层组织比较理想。反观其他两个对照组，A1组表层内分布着较大块的碳化物，经过检测，碳化物级别为4～5级（见图1）；C1组表层内零星分布着极小块的碳化物（见图3），且表面硬度较低，耐磨性较差。因此工件在渗碳过程中，表面碳质量分数太高或者太低都不理想。

2．3高温回火由于18Cr2Ni4WA中属于中合金钢，其内所含的合金元素促使奥氏体等温转变曲线向右平移，间接增加了奥氏体的稳定性，导致渗碳之后空冷渗层中也有较多的残奥，对淬火有很大影响，所以需要在适当温度下回火，促进残奥向马氏体发生转变，由于第一次回火过程中部分残奥转变为马氏体，而原先的马氏体转变为回火索氏体，为使残奥尽可能多的发生转变，必须进行多次回火（见表3）。由表3可以看出，回火一次的平均硬度值为最低，随着回火次数的增加，淬火后的硬度也增加，但是从第三次回火开始，硬度值的提升越来越小，故综合产品质量、生产成本、产品周期三方面考虑，最终采用二次回火的方式。

2．4淬火由于金属材料在不同淬火温度得到的马氏体组织和残奥的含量是不同的，而不同的马氏体组织、残奥含量又会表现出宏观的不同性质，如硬度不同，疲劳强度不同。故选取合适的淬火温度对于提高齿轮的质量有重大意义。下页表4中选取不同淬火温度进行试验，检测显示A3组淬火后，渗碳层分布着较大块粒状碳化物，B3组淬火后，渗碳层分布着细小的粒状碳化物，C3组淬火后，渗碳层分布着极细小的碳化物。

2．5低温回火在淬火后采用低温回火的方式进行处理，最终获得渗碳层为针状马氏体＋弥散分布的碳化物＋少量残余奥氏体，心部为回火板条马氏体＋少量残余奥氏体的基体组织，既可以最大限度保留淬火状态时的硬度，又可以降低淬火使产生的内应力，使工件表面耐磨，心部强度高，综合性能优秀。

3结语

1）18Cr2Ni4WA钢渗碳之后，在其表面会生成较多的残余奥氏体，使用高温回火的方法可以降低其含量，多次回火效果更好。2）渗碳过程中，强渗阶段碳势控制在1．2％C，扩散阶段碳势控制在0．80％C，能得到比较好的渗层组织，碳化物级别也比较理想。3）淬火温度的选取决定产品硬度峰值和马氏体残余奥氏体级别。

作者：王龙龙 单位：阳泉华越创力采掘机械制造有限公司