滲碳對17CrNiMo6鋼大截面齒輪軸鍛件的硬度影響研究

權國輝，張海英

(鄭州職業技術學院 材料科學與工程系，河南 鄭州 450121)

大型鍛件產品是電力、冶金、石化、造船、鐵路、礦山、航空航天、軍工、工程等裝備的基礎部件，是產業鏈上不可缺少的重要一環，其發展水平是衡量一個國家綜合實力的重要標志[1-2]。某廠生產的17CrNiMo6大截面齒輪軸是球磨機傳動系統的重要組成部分，其生產過程一般為冶煉、鍛造、滲碳、淬回火等。

滲碳處理是對金屬表面處理的一種常用方法，一般應用于低碳鋼和低碳合金鋼。經過滲碳處理后的工件表面的化學成分類似于高碳鋼，而工件的心部依然保持著低碳鋼的特性。工件經過滲碳處理之后，一般還要進行調質處理或者淬火回火等工藝，讓金屬能夠具有良好的強度、較高的表面硬度及抗疲勞強度[3]。由于17CrNiMo6鋼齒輪軸基體含碳量一般為0.17%～0.20%，屬低碳鋼，所以通過滲碳工藝可使齒部表面1～10 mm轉變為高碳鋼，齒面硬度達到57～61 HRC，芯部硬度達到34～38 HRC，從而使齒輪軸齒部表面可獲得較好的強度、硬度、耐磨性，以提高嚙合的壽命，而芯部仍保留良好的韌性，以滿足傳動等需求。

經滲碳處理后的齒輪軸鍛件整體具有較高的硬度、抗疲勞性能，并能承受較大的沖擊載荷，在工業上得到廣泛的應用[4-5]。但是由于齒輪軸工作狀況十分復雜，使用中易發生磨損、斷裂等問題，且維修占用工時多、停車次數多、時間長，給生產造成嚴重的影響[6]。硬度問題是17CrNiMo6鋼齒輪軸滲碳件的主要問題，主要表現為齒面硬度值偏低，使其抗剪切強度和抗疲勞性能下降，在使用過程中易造成齒面表層產生疲勞裂紋，不僅明顯影響了熱處理的品質，還對齒輪的使用留下隱患。因此，提高17CrNiMo6鋼齒輪軸滲碳件硬度，對于提高其使用壽命和質量控制水平具有重要意義。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料為φ142 mm×330 mm的17CrNiMo6鋼齒輪軸3個。經取樣進行化學成分分析，其主要化學成分如表1所示，可看出，材料化學成分符合該廠生產大截面齒輪軸指定專用材料17CrNiMo6鋼的成分要求。

表1 試驗用17CrNiMo6鋼錠化學成分(質量分數，%)

1.2 試驗方法

17CrNiMo6鋼齒輪軸鍛件采用液體滲碳，滲劑為異丙醇，保護氣體為氮氣、甲醇，滲碳溫度為930 ℃。齒輪軸鍛件滲碳后碳濃度顯著提高，但滲碳后的空冷使滲碳層產生大量的殘余奧氏體，弱化了齒輪軸表面的硬度。因此，本試驗采用滲碳后的深冷處理、增加回火次數、提高回火溫度等方法來減少殘余奧氏體，以提高產品強度和硬度。

1.2.1深冷處理減少殘余奧氏體

在滲碳后，淬火剛剛完成還未進行回火時，采用表面敷干冰的方法對齒輪軸試樣做深冷處理，如圖1所示。再對試樣齒輪軸做深冷前后硬度對比試驗。

1.2.2提高回火溫度減少殘余奧氏體

在滲碳后的回火工藝中，通過提高回火溫度減少殘余奧氏體。回火工藝調整前，齒輪軸采用低溫回火工藝為180 ℃回火三次，硬度達不到要求。工藝調整后后，采用200 ℃回火兩次，200～230 ℃一次。再對試樣齒輪軸做工藝調整前后硬度對比試驗。

圖1 滲碳齒輪軸敷干冰深冷處理Fig.1 Deep cold treatment by covering dry ice on the surface of carburizing gear shaft

2 試驗結果及分析

2.1 深冷處理后硬度值升高

在不同狀態下對試樣齒輪軸做深冷前后硬度對比試驗，經里氏硬度計測量齒頂圓硬度。結果表明，齒輪軸經淬火后深冷，硬度明顯增高，如表2所示。通過深冷處理使殘余奧氏體繼續向馬氏體轉變，一般用在剛剛淬火完成還未進行回火時，目的一是使奧氏體繼續轉化為馬氏體；二是穩定殘余奧氏體，回火處理時殘余奧氏體分解。

2.2 提高回火溫度后硬度值升高

由于200～300 ℃回火區間，是馬氏體分解和殘余奧氏體轉變為下貝氏體和回火馬氏體綜合作用區間，所以200 ℃兩次回火+230 ℃一次回火后，殘余奧氏體向馬氏體轉變使回火應力減小。試樣齒輪軸提高回火溫度后硬度提高，見表3。

表2 試樣齒輪軸深冷前后硬度對比

表3 試樣齒輪軸提高回火溫度前后硬度對比

3 結論

1)在滲碳后，對17CrNiMo6鋼齒輪軸做深冷處理，可以提高其硬度值。

2)提高回火溫度，增加回火次數，可以提高17CrNiMo6鋼齒輪軸硬度值。