SNCM420H-K齒輪滲碳直接淬火工藝

■王孟，孫世超，李炎，王忠

SNCM420H為日本牌號滲碳鋼，屬于Cr-Mo系列的高級齒輪用鋼，大量使用在重載齒輪中。該鋼屬于窄帶高淬透性鋼，滲碳后變形較小，表面硬度高，耐磨性好，使用壽命長。目前，該種材料滲碳基本采用滲碳+兩次淬火工藝，我公司通過大量工藝試驗，在保證使用性能的前提下成功實現了SNCM420H-K齒輪的滲碳直接淬火。

依據我國鋼號命名規則，可將該鋼命名為22Cr Ni2Mo Nb H，屬于保證淬透性鋼，其化學成分標準如表1所示。SNCM420H-K含有較高的Mn、Cr、Ni、Mo，4種合金元素的加入可提高該材料的淬透性、心部的強度，降低低溫脆性；并且SNCM420H-K添加了微量元素Nb，Nb能與N、C結合，形成氮化物、碳化物，可顯著提高再結晶溫度，阻止奧氏體晶粒的長大，從而細化晶粒，改善材料的性能，使滲碳直接淬火成為可能。

據文獻，含Nb的20Cr Ni2Mo鋼，在880℃、900℃、920℃下保溫1h再淬水后的奧氏體晶粒度沒有明顯變化；在940℃、960℃下保溫1h再淬水后的奧氏體晶粒有較為明顯的長大；在920℃保溫10h后晶粒沒有發生明顯的長大，晶粒度為8～9級，由此確定含Nb的20Cr Ni2Mo鋼的滲碳溫度為920℃，由于SNCM420H-K與含Nb的20CrNi2Mo化學成分相近，因此選擇920 ℃作為SNCM420H-K鋼的滲碳溫度。

表1 SNCM420H-K化學成分（質量分數） （%）

表2 試驗用SNCM420H-K化學成分（質量分數） （%）

1. 齒輪滲碳兩次淬火工藝

SNCM420H-K鋼選φ200mm圓鋼，實測化學成分見表2，齒輪如圖1所示。滲碳要求：節圓處硬化層要求2.4～3.0mm，齒根處硬化層深度≥1.5mm，心部硬度269～352HBW，馬氏體、殘留奧氏體1～4級，碳化物1～4級，表面硬度60～64 HRC，晶粒度≤7級。該齒輪生產工藝：下料→鍛造→正火→粗車→精車→滾齒→滲碳→淬火→高溫回火→車螺紋→二次淬火→低溫回火→磨端面→磨齒，滲碳兩次淬火工藝曲線如圖2所示。

完成低溫回火工序后剖切檢驗齒輪。金相組織如圖3 所示，齒輪滲碳區組織為：回火馬氏體+殘留奧氏體1級，少量碳化物1級，晶粒度9級。心部組織為：回火索氏體+少量鐵素體，晶粒度8級；心部硬度278～339HBW，滿足工藝要求。

圖1 齒輪示意

低溫回火后檢測齒輪軸的徑向圓跳動值，并與滲碳前進行對比，得出二次淬火后的變形量（見表3），平均變形量約漲大0.044mm，淬火后漲大變形增加了后工序磨齒的磨削量。

圖2 SNCM420H-K齒輪滲碳兩次淬火工藝曲線

2. 滲碳直接淬火工藝

工藝路線調整為：下料→鍛造→正火→粗車→精車→滾齒→車螺紋→滲碳→淬火→低溫回火→磨端面→磨齒，滲碳直接淬火工藝曲線如圖4所示。

完成低溫回火工序后，剖檢滲碳直接淬火齒輪，金相組織如圖5所示。滲碳區組織：回火馬氏體+殘留奧氏體1級+碳化物2級，晶粒度9級。心部：回火索氏體+少量鐵素體，晶粒度9級，心部硬度297～373HBW。將滲碳直接淬火齒輪與兩次淬火齒輪的金相組織對比可看出，兩者基本相當，心部硬度稍有提高。由此可判斷，滲碳直接淬火對SNCM420H-K鋼滲碳組織影響不大，可使用滲碳直接淬火工藝取代滲碳兩次淬火。

低溫回火后檢測齒輪的徑向圓跳動值，并與滲碳前進行對比，得出滲碳直接淬火變形量如表3所示，平均變形量約漲大0.03mm，較滲碳兩次淬火工藝變形量減小0.014mm，齒輪變形減小32%，畸變率大大減小。因此，減去一次淬火過程能夠有效減小淬火變形，減小了后續磨削量，降低生產成本，并且取消一次淬火工序，也節約了能源。

3. 結語

SNCM420H-K鋼滲碳直接淬火組織與傳統滲碳兩次淬火工藝組織基本相當，但減少一次淬火工序可較大地減小齒輪軸的變形量，減小磨削量，節約能耗，降低生產成本，提高生產效率。

圖 3

圖4 SNCM420H-K齒輪滲碳直接淬火工藝曲線

圖 5

表3 SNCM420H-K齒輪、齒輪軸滲碳直接淬火變形量 （mm）