我公司開發(fā)制造的一種高承載能力半軸齒輪，錐齒大端模數(shù)10.3，凈重3.3kg，采用精密鍛造+滲碳淬火工藝。為了滿足該齒輪的彎曲疲勞強度設計要求，心部硬度需在38~45HRC范圍內(nèi)，彎曲疲勞強度達到最大值。故通過選取不同的鋼材、以及同一材料不同的端淬值，在一定的熱處理工藝條件下反復試驗，摸索規(guī)律，穩(wěn)定地控制齒根心部硬度（齒寬中部橫截面上，輪齒中心線與齒根圓相交處）：35~40HRC；節(jié)圓心部硬度（齒寬中部橫截面上，輪齒中心線與節(jié)圓相交處）：38~45HRC；心部鐵素體的量≤5%。
1.材料的選取
（1）化學成分
材料的化學成分確定了材料端淬值的范圍，而對于某一特定結(jié)構(gòu)的齒輪，端淬值對心部硬度起決定性因素。首先選取SAE8620H材料，經(jīng)過了數(shù)輪的材料端淬值試驗選取和熱處理工藝試制，該產(chǎn)品的節(jié)線心部硬度均在34HRC以下。為了提升齒輪的心部硬度，經(jīng)過成分、使用性能類比分析（表1位SAE8620H與22CrMo材料主要化學成分對比），選用淬透性更好22CrMo材料。
表1 SAE8620H與22CrMo材料主要化學成分（質(zhì)量分數(shù)）對比（%）
采用22CrMo材料比8620材料有兩個明顯的優(yōu)勢：
①材料原始碳含量提高了0.02%，可以提高心部的淬硬性。
②其中Cr元素含量增加約0.50%，可以顯著提高材料的淬透性，為后續(xù)熱處理工藝參數(shù)的調(diào)整留有較寬的范圍。
（2）細化確定材料的端淬值
在綜合考慮節(jié)圓心部硬度和齒根心部硬度的要求，我們選取淬透性較好的22CrMoH1（表2位22CrMoH淬透性帶）。經(jīng)過數(shù)輪熱試發(fā)現(xiàn)，該模數(shù)齒輪的心部硬度與端淬值J15有較強的對應關系。不同的J15值應采取不同的淬火工藝。為了減少心部硬度的散差，從而更好地選取和固化熱處理工藝參數(shù)，將22CrMoH1最細分選料為34HRC≤J15≤37.5HRC和37.5HRC<J15≤41HRC兩組。
表2 22CrMoH淬透性帶
熱處理規(guī)范 | 淬透性要求HRC | ||
正火溫度/℃ | 淬火溫度/℃ | J15 | |
22CrMoH1 | 925±10 | 925±5 | 34~41 |
22CrMoH2 | 925±10 | 925±5 | 30~36 |
22CrMoH3 | 925±10 | 925±5 | 32~39 |
（3）驗證22CrMoH1材料
分別挑選接近J15端淬值下限的34.4HRC和上限的40.3HRC的兩批材料進行對比熱處理試驗（見表3），只要采用相應的滲碳淬火工藝，端淬值偏下限的材料也能將心部硬度控制在技術(shù)范圍以內(nèi)。
表3 22CrMoH1材料試驗選取
2.熱處理工藝參數(shù)的選取
（1）淬火溫度對心部硬度的影響
對22CrMoH1編號314材料進行熱處理工藝試驗。在愛協(xié)林多用爐滲碳淬火，淬火條件相同的情況下，包括采用相同的好富頓355等溫淬火油，淬火溫度在該材料Ac3溫度上提高50℃，其心部硬度明顯提高了5～6HRC，通過這次試驗發(fā)現(xiàn)：針對某一產(chǎn)品選取淬火溫度很有必要，是影響心部硬度的重要因素之一。
表4 淬火溫度對比試驗
淬火溫度 | 編號314材料 | |
節(jié)圓心部硬度HRC | 齒根心部硬度HRC | |
830℃淬火 | 35.2 | 33.2 |
870℃淬火 | 41.5 | 38.2 |
相差值 | 6.3 | 5.0 |
（2）淬火油類型對心部硬度的影響
不同類型淬火油的冷卻特性不一樣，采用常見的好富頓G油與好富頓355等溫淬火油進行對比試驗。通過表5可以看出相同滲碳淬火工藝，好富頓G油比355等溫淬火油淬火后，該產(chǎn)品心部硬度要高3～5HRC。
表5 22CrMoH1材料淬火油淬火對比試驗
淬火油類別 | 編號314材料 | 編號706材料 | ||
節(jié)圓心部硬度HRC | 齒根心部硬度HRC | 節(jié)圓心部硬度HRC | 齒根心部硬度HRC | |
G油淬火 | 39.3 | 36.0 | 44.5 | 42 |
355油淬火 | 34.7 | 31.0 | 40 | 39 |
相差值 | 4.6 | 5.0 | 4.5 | 3 |
（3）淬火冷卻條件（包括淬火油溫、油攪拌速度）對心部硬度的影響
分別對表3中靠近上限、下限端淬值的22CrMoH1材料進行熱處理工藝試驗。在其他淬火條件相同的情況下（均為好富頓355等溫淬火油），提高淬火冷卻劇烈程度，將淬火油溫由120℃降低到100℃，同時油攪拌器轉(zhuǎn)速由600r/min提高到1400r/min，其心部硬度明顯提高3HRC以上（見表6）。通過這次試驗發(fā)現(xiàn)：對于某一特定重量和形狀的產(chǎn)品可以控制淬火冷卻烈度提高心部硬度。
表6 冷卻劇烈程度對比試驗
淬火油溫及油攪拌速度 | 編號314材料 | 編號706材料 | ||
節(jié)圓心部硬度HRC | 齒根心部硬度HRC | 節(jié)圓心部硬度HRC | 齒根心部硬度HRC | |
120℃，600r/min淬火 | 41 | 38 | 40 | 39 |
100℃，1400r/min淬火 | 38 | 34.7 | 44.5 | 42 |
相差值 | 3 | 3.3 | 4.5 | 3 |
（4）裝爐量對心部硬度的影響
裝爐量對產(chǎn)品的心部硬度也有一定影響，主要和油池體積及油循環(huán)狀況有關，裝爐量適中，可以確保同爐產(chǎn)品心部硬度散差較小。愛協(xié)林多用爐最大裝料量為1000kg（包括料具重量），經(jīng)過10爐產(chǎn)品的生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，為了控制同一爐最上層與最下層產(chǎn)品心部硬度散差在2HRC以內(nèi)，裝爐量最佳值約為最大裝爐量的一半。
3.從金相顯微組織上對齒輪心部硬度差異的分析
（1）預備熱處理是影響齒輪淬火后心部硬度散差的重要因素之一
鍛造后正火金相組織應嚴格控制：基體組織為均勻分布的鐵素體+珠光體（F+P），級別≤3級，不允許存在魏氏體、貝氏體、馬氏體等非平衡組織；退火狀態(tài)下，鋼材帶狀組織應≤3級（見圖1）。鍛造后正火未消除的粗大晶粒、魏氏體組織（見圖2），引起淬火后心部組織粗大、不均勻，增加了心部硬度的散差。
圖1 22CrMoH材料帶狀組織3級（100×）
圖2 22CrMoH側(cè)齒精鍛坯珠光體+鐵素體成網(wǎng)+魏氏針（100×）
（2）淬火后心部金相組織與心部硬度的關系
由于該產(chǎn)品齒輪模數(shù)較大，在淬火冷卻過程中，產(chǎn)品心部并未完全淬透，淬火后心部主要是低碳馬氏體和索氏體組織，甚至析出游離狀鐵素體（見圖3）。經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，在當前的生產(chǎn)條件下，該產(chǎn)品淬火溫度低于材料Ac3溫度10～15℃以上，齒輪心部就會出現(xiàn)較多的鐵素體，導致零件的心部硬度偏低。
圖3 心部鐵素體7級成塊狀-4%硝酸酒精溶液侵蝕（400×）
圖4 心部鐵素體1級-4%硝酸酒精溶液侵蝕（400×）
圖3心部鐵素體7級，實測心部硬度只有28HRC，而圖4心部鐵素體1級，實測心部硬度達到38HRC以上。心部鐵素體的量與心部硬度成反比例關系，心部鐵素體越多心部硬度越低。
4.結(jié)語
影響精鍛半軸齒輪心部硬度的主要因素是材料、熱處理工藝參數(shù)、淬火油類型、冷卻條件，提高精鍛半軸齒輪心部硬度可以從以下五個方面進行控制：
（1）選用原始碳含量較高、淬透性較好的鋼材牌號。
（2）根據(jù)具體鋼種及J15值適當提高淬火溫度。
（3）選用冷卻性能好的淬火油，使心部充分獲取板條狀馬氏體組織。
（4）選取較快的淬火冷卻條件，如提高油攪拌速度，降低淬火油油溫，從而增加產(chǎn)品心部冷卻速度，減少心部鐵素體的析出量。
（5）原材料偏析及預備熱處理的合理要求。
經(jīng)過數(shù)批次生產(chǎn)，通過上述控制方法，該產(chǎn)品心部硬度均能很好的滿足技術(shù)要求，節(jié)圓心部硬度波動約±1HRC。
來源：熱處理生態(tài)圈
作者：王彩，潘曉東，謝立湘
單位：株洲齒輪有限責任公司
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