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盐浴与油介质对20CrMnMo重载渗碳齿轮淬火性能的影响

目前国内重载齿轮制造领域,由于齿轮模数大,对材料的淬透性能有着严格要求,淬透性能差的材料无法保证齿轮的心部组织及力学性能满足要求。当前重载渗碳钢齿轮的材质主要有20CrMnMo、18CrNiMo7-6、17CrNiMo6、20Cr2Ni4、20CrNi2Mo等,其中20CrMnMo在重载齿轮制造领域应用广泛。20CrMnMo的主要特点为Cr与Mn含量较高,对淬透性提高有着积极作用,渗碳后表面淬硬性好,齿轮渗碳淬火后表面硬度可以达到59~63HRC,同时渗碳层抗回火性能优良,由于不含Ni元素,所以该材质的韧性相对于18CrNiMo7-6类偏低。

淬火冷却介质是实现齿轮渗碳后性能的必要手段,通过淬火方可使扩散入的碳原子产生硬化作用,使齿轮的表面、心部实现预期硬化性能。重载齿轮热处理淬火冷却介质,目前主要有盐浴以及油,本文主要涉及低温盐浴(50%硝酸钾+50%亚硝酸钠)与快速淬火油(K油)的对比。盐浴与快速淬火油的冷却机理明显不同,盐浴淬火为马氏体分级淬火,采取的是“盐浴-空气”冷却,在盐浴内完成心部组织转变,随后在空气中完成表面组织转变,盐浴淬火变形相对较小,由于盐比热容大,其淬火冷却介质温升较小,有利于淬火装炉量提高。快速淬火油介质冷却时,齿轮的心部以及表面在油中完成转变,对于分级淬火油,。由于两种淬火冷却介质的特性差异,渗碳淬火后的性能必然存在差异,本文研究了盐浴与油介质对20CrMnMo重载渗碳齿轮淬火性能到影响,对合理选择淬火冷却介质有着重要的指导意义。

一、试验材料与热处理工艺

1.试验材料

试验试样取材于20CrMnMo材质实体齿轮,模数12,通过线切割获得4件齿形样坯,渗碳前在齿形样坯上制取力学性能试样,试验每组试样包括齿形样坯1件、力学性能试棒2件,获得4组渗碳淬火试样;渗碳淬火后再从齿形样坯齿宽中部法向截面上取得试验用齿形试样;最终每组检测样品包括齿形样1件、伪渗碳力学性能试棒2件。试样取样位置如图1、图2所示。

2.热处理工艺

每组试样由齿形样坯1件、力学性能试棒2件组成。4组试样同炉渗碳,渗碳工艺时间45h(强渗碳势1.15%时间30h、扩散碳势0.75%时间15h),760℃保温2h出炉缓冷至300℃空冷;后采取4种淬火回火工艺进行对比性试验。试样热处理工艺见表1。

 二、淬火性能检测

1.力学性能检测

通过4种淬火回火工艺研究不同淬火冷却介质、不同淬回火温度对试样力学性能的影响,利用WAW-600KN万能材料试验机以及JB-300B冲击机对4组伪渗碳试样进行力学性能测试,结果如表2所示。

结果分析:

(1)相同材质及淬火温度工艺,油淬的强度指标高于盐淬,但塑韧性低于盐淬。如表2所示,强度指标提高10%左右,但冲击功降低40%左右。

(2)相同材质及淬火冷却介质,与常规840℃淬火比较,采用860℃快冷至840℃淬火将提高材料热处理后的强度性能,但同时降低塑韧性指标。

2.组织检测

样品经4%硝酸酒精溶液腐蚀后,按JB/T6141.2—1992《重载齿轮渗碳质量检验》标准,对齿形样进行组织观察与分析。

(1)表面组织检测

齿形样表层组织检测结果如表3所示。金相图如图4~图11所示。

结果分析:

①对于12模数20CrMnMo齿形样而言,渗碳后采用硝盐或油淬后,齿根处非马组织深度均约为节圆处的1倍。相同淬火奥氏体化加热工艺,盐浴与K油淬火的非马组织深度无明显差别。

②860℃快冷至840℃淬火,通过对盐淬与油淬试样结果比较,20CrMnMo材质若在860℃进行长时间保温(2h),淬火后马氏体针尺寸略大于840℃淬火工艺,但马氏体级别≤3级。相同淬火奥氏体化加热工艺,盐浴与K油淬火的马氏体针长一致,原因在于表层马氏体的针长由淬火前的奥氏体晶粒度决定,与冷却方式无关系。

③相同淬火奥氏体化加热工艺,盐浴淬火的残留奥氏体数量大于K油淬火,盐浴残留奥氏体相对高度原因在于表层过冷奥氏体向马氏体转变阶段,在空气中转变的速率慢,导致奥氏体稳定化;相同淬火冷却介质,无论盐浴还是K油淬火,均表现出860℃降840℃淬火工艺的残奥数量大于840℃淬火工艺,860℃降840℃淬火工艺残奥数量相对高的原因在于860℃保温阶段,碳化物溶解入奥氏体中的数量增加,致使马氏体开始转变温度Ms点下降,在冷却转变阶段,奥氏体的转变量将降低。

④碳化物指标由渗碳阶段的表层碳含量决定,4组试样均为同炉渗碳,因此碳化物指标不存在差异。

(2)心部组织及硬度检测

运用维氏硬度计与奥林巴斯GX51金相显微镜对样品进行硬度及组织检测,结果如表4所示。金相如图12、图13所示。

表4  心部组织及硬度检测结果

试样编号

热处理工艺

检测部位

检测项目

心部硬度/HRC

心部组织

心部晶粒度(级)

SY-001A

860℃/840℃

硝盐

部位1

28.0;28.2;30.6

B+少量M

6

部位2

26.0;25.5;26.2

B+少量M

6

部位3

25.6;26.5;26.2

B+少量M

6

SY-001B

840℃

硝盐

部位1

26.5;26.3;26.5

B+少量M

6

部位2

26.0;26.0;27.0

B+少量M

6

部位3

26.0;25.6;26.2

B+少量M

6

SY-002A

860℃/840℃

K油

部位1

29.4;30.6;29.6

B+少量M

6

部位2

23.7;25.0;25.2

B+少量M

6

部位3

25.5;26.2;25.2

B+少量M

6

SY-002B

840℃

K油

部位1

29.0;29.9;29.9

B+少量M

6

部位2

25.0;25.6;25.0

B+少量M

6

部位3

25.3;25.3;26.5

B+少量M

6

解释:

①心部硬度检测部位1:法向截面上,轮齿中心线与节圆相交处。

②心部硬度检测部位2:法向截面上,轮齿中心线与齿根圆相交处。

③心部硬度检测部位3:法向截面上,齿根30°切线方向,深度为1倍模数处。

结果分析:

①12模数20CrMnMo齿形样,采用不同温度工艺,油淬或盐淬后,其心部检测点1、2、3的硬度均≤30HRC;同一检测位置,不同温度工艺,油淬与盐淬心部硬度值基本一致。

②盐淬与油淬,同一个齿形样,检测点2、3心部硬度值基本相同;检测点1硬度值略高于点2、3;且组织与硬度呈对于关系,检测点1、2、3均为B+少量M。

③对实体心部组织及硬度分析,盐与K油淬火,对心部性能影响无明显差别,说明两种介质在试验中的高温冷却速度基本相同。

3.硬化层检测

利用显微维氏硬度计对样品进行硬化层检测,按GB/T 9450—2005《钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核》标准执行,检测结果如表5所示;硬化层检测处见图3;图14、图15为样品硬化层曲线。

结果分析:

(1)12模数20CrMnMo齿形样,盐淬后齿根硬化层为节圆硬化层的60.78%~65.0%,油淬后齿根硬化层为节圆硬化层的60.7%~62.0 %,两种介质并无明显差别;相同材质及淬火冷却介质,采用860℃降840℃淬火不能有效提高齿根/节圆硬化层比值。

(2)盐淬或油淬,齿形样840℃淬火后节圆及齿根处硬化层均略高于860℃降840℃淬火后数据。

(3)相同奥氏体化淬火工艺,节圆部位,K油淬火的硬度值大于盐浴淬火,这与油淬残留奥氏体数量相对少有关。

(4)从表面硬度曲线分析,发现采用两种热处理温度工艺,齿形样油淬后齿根部位离表面0.2mm范围内硬度值均低于569HV,齿根表面软面层约0.2mm,而盐淬无此现象。

三、结语

(1)相同材质及淬火温度工艺,油淬的强度指标高于盐淬,但塑韧性低于盐淬;相同材质及淬火冷却介质,与常规840℃淬火比较,采用860℃快冷至840℃淬火将提高材料热处理后的强度性能,同时降低塑韧性指标。

(2)盐淬或油淬对马氏体形态影响很小,主要影响因素为淬火温度及保温时间。相同热处理加热制度,盐浴淬火残留奥氏体量比油介质高。

(3)12模数20CrMnMo齿形样,采用不同温度工艺,油淬或盐淬后,其心部硬度均≤30HRC;且组织与硬度呈对于关系,均为B及少量M组织。两种介质高温区冷却速率相近,所以齿形样心部性能无明显差异。

(4)12模数20CrMnMo齿形样,盐淬后齿根硬化层为节圆硬化层的60.78%~65.0%;油淬后齿根硬化层为节圆硬化层的60.7%~62.0%;采用860℃降840℃淬火不能有效提高齿根/节圆硬化层比值。

(5)齿形样油淬后齿根部位离表面0.2mm范围内硬度值均低于569HV,齿根表面软面层约0.2mm,相同材质及热处理温度,盐淬则此现象。


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