降低18CrNiMo7-6錐齒輪軸滲碳淬火應(yīng)力

■張波，劉成

我公司主要生產(chǎn)礦用輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、減速器等設(shè)備，在錐齒輪軸的生產(chǎn)制造上主要使用材料18Cr Ni Mo7-6，從礦方使用情況及多次三包產(chǎn)品缺陷分析，我們得出的結(jié)論是，現(xiàn)行工藝存在一定的缺陷，未能最大限度地降低18Cr Ni Mo7-6錐齒輪軸滲碳淬火應(yīng)力，造成使用過程中應(yīng)力釋放產(chǎn)生斷裂。通過試驗(yàn)，在現(xiàn)行滲碳工藝的基礎(chǔ)上，調(diào)整滲碳后的淬火工藝參數(shù)，主要是調(diào)整淬火溫度，增加預(yù)冷，調(diào)整冷卻時(shí)間，減小冷卻強(qiáng)度，適當(dāng)延長均溫時(shí)間。提高二次回火溫度等，逐步改進(jìn)試驗(yàn)參數(shù)。

表1 調(diào)整前后工藝參數(shù)及滲碳淬火隨爐試樣金相組織

1. 第一階段工藝試驗(yàn)

調(diào)整淬火溫度，增加預(yù)冷，降低冷卻強(qiáng)度。

（1）試驗(yàn)參數(shù) 試驗(yàn)參數(shù)見表1，共試驗(yàn)4爐。

（2）試驗(yàn)結(jié)果分析 從結(jié)果看出：第一爐隨爐試塊結(jié)果與原工藝相比，馬氏體及殘留奧氏體級別雖然合格，但降低3個(gè)級別；第二爐，提高淬火溫度，延長緩冷時(shí)間來提高冷卻速度，金相組織理想；第三爐，借鑒對1件通裂軸的分析，提高出油溫度，降低淬火前的心部溫度，減小淬火應(yīng)力，將均溫時(shí)間由30min延長至60min，縮短冷卻時(shí)間，提高油溫，降低冷卻速度，馬氏體及殘留奧氏體仍然為4級；第四爐，取消預(yù)冷工序，降低油溫，馬氏體及殘留奧氏體仍為4級。

4爐中只有第二爐金相組織最好，主要是因?yàn)榈诙t的熱量最小，預(yù)冷、緩冷可滿足冷卻要求，缺點(diǎn)是淬火前的預(yù)冷，降低齒部溫度，從而降低齒部的過冷度，造成齒部冷卻能力不足，而預(yù)冷對軸部的溫度表層稍有降低，但次表層及心部溫度高于表層，淬火后會(huì)形成應(yīng)力分布不合理的現(xiàn)象。

2. 第二階段工藝試驗(yàn)

降低淬火溫度，取消預(yù)冷，增加短時(shí)強(qiáng)冷，適當(dāng)縮短緩冷時(shí)間。

（1）試驗(yàn)參數(shù) 試驗(yàn)參數(shù)見表2，共試驗(yàn)2爐。

第五爐帶隨爐實(shí)體樣件，切割做硬度檢驗(yàn)，檢測示意見圖1、圖2，檢測結(jié)果見表3。

（2）試驗(yàn)結(jié)果分析 從第五、第六爐試驗(yàn)金相看，金相組織比第一階段有了明顯提升，第五爐是淬火+高溫回火后二次加熱淬火，不能真實(shí)反映出滲碳直接淬火的組織，第六爐雖然組織好，但是有一件在精加工后鍵槽處開裂，說明依然存在殘余應(yīng)力大的問題。

通過測量淬火返熱溫度，檢測切片硬度，第五爐冷卻時(shí)間較合理，仍可縮短，切片φ120mm未淬透，表層5mm 以內(nèi)硬度37~38HRC，心部32~35.1HRC，其余硬度為3 2~3 5 H R C，說明820℃淬火后硬度降低，出現(xiàn)了一定硬度梯度。

圖1 φ120mm試驗(yàn)切片

圖2 φ95mm試驗(yàn)切片

表2 試驗(yàn)前后工藝參數(shù)及滲碳淬火隨爐試樣金相組織

表3 φ120mm、φ95mm試驗(yàn)切片數(shù)據(jù)

3. 第三階段工藝試驗(yàn)

確定淬火溫度為82 0℃，延長均溫時(shí)間，控制強(qiáng)冷時(shí)間在3mi n以內(nèi)，依照出油溫度確定緩冷時(shí)間。

（1）試驗(yàn)參數(shù) 試驗(yàn)參數(shù)見表4，共試驗(yàn)2爐。

實(shí)體取樣檢驗(yàn)圖片見圖3、圖4，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5、表6。

（2）試驗(yàn)結(jié)果分析 滲碳均溫時(shí)間延長至3~4h，估計(jì)軸心部可降低到均溫溫度，但保溫時(shí)間長，淬火后測軸部終冷溫度，第七爐齒部為120~140℃，桿部為100~120℃，第八爐齒部為100~120℃，桿部為110~150℃，說明冷卻時(shí)間的計(jì)算方法是合理的。

從兩種軸切片看，φ 120mm三階段試驗(yàn)切片表層5mm 以內(nèi)36~38HRC，比第二階段降低1~2HRC；心部硬度為30.3~33.6HRC，比第二階段降低1~3HRC。未冷處理的樣塊馬氏體+殘留奧氏體為4級（標(biāo)準(zhǔn)要求：馬氏體+殘留奧氏體、心部≤4級，碳化物≤3級），如過程稍有波動(dòng)，則組織級別降低，依照本次冷卻（強(qiáng)冷時(shí)間控制在3mi n以內(nèi)）參數(shù)，無論從硬度、組織優(yōu)化方面都需要冷處理。

圖3 φ120mm試驗(yàn)切片

圖4 φ160mm試驗(yàn)切片

表4 調(diào)整前后工藝參數(shù)及滲碳淬火隨爐試樣金相組織

表5 φ120mm試驗(yàn)切片檢測數(shù)據(jù)

表6 φ160mm試驗(yàn)切片檢測數(shù)據(jù)

4. 試驗(yàn)結(jié)論

（1）軸部淬火硬度降低，間接地說明淬火應(yīng)力降低了，解決了軸部全部淬透而淬火應(yīng)力過大的問題，達(dá)到試驗(yàn)計(jì)劃“心部硬度≤35HRC”的要求。

（2）試驗(yàn)組織級別，齒部“馬氏體+殘留奧氏體”級別3級，碳化物2級，心部組織隨爐試塊1級，實(shí)體樣塊為2~3級，符合《重載齒輪金相檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)要求，軸部截面硬度、滲碳層金相組織兩者之間存在制約關(guān)系，即冷卻強(qiáng)度大，金相組織級別、表層硬度都會(huì)提高，但軸部淬火應(yīng)力增大，二者只能綜合考慮。

（3）為實(shí)現(xiàn)“減小淬火應(yīng)力”的目標(biāo)，通過試驗(yàn)確定淬火溫度為820℃，冷卻時(shí)間依據(jù)最小軸徑計(jì)算，執(zhí)行正常冷處理工藝，為了保證硬度，二次回火溫度不得提高。

（4）均溫時(shí)間根據(jù)零件大小分為兩檔，分別為45min、60min，關(guān)于強(qiáng)冷時(shí)間結(jié)合模數(shù)與軸部直徑建議分為兩檔，分別為3min、4~5min，因?yàn)榈谌A段試驗(yàn)表明，φ160mm軸部組織為3級，而模數(shù)14零件軸部都在160mm及以上，稍微延長強(qiáng)冷時(shí)間以保證實(shí)體軸部組織及使用要求的強(qiáng)度。

5. 結(jié)語

通過本次試驗(yàn)優(yōu)化了工藝方法，18Cr Ni Mo7-6材料的錐齒輪軸部淬火硬度降低，達(dá)到了降低18Cr Ni Mo7-6錐齒輪軸滲碳淬火應(yīng)力的目的，在生產(chǎn)實(shí)踐中已經(jīng)開始進(jìn)行應(yīng)用，為公司產(chǎn)品攻關(guān)項(xiàng)目提供了有利的工藝保證參數(shù)，提高了產(chǎn)品使用壽命。