牛人总结!常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮的热处理工艺


Cr-Ni系渗碳钢具有较高的强韧性,用于传递功率大、齿轮表面载荷高、有冲击、形状复杂的重要齿轮,如重载汽车、坦克车、铁路机车、风力发电、汽轮机、冶金与轧钢机械、船舶与航空发动机等装备上的齿轮。常用Cr-Ni系渗碳钢有12CrNi3、20CrNi、12Cr2Ni4、20CrNi3、20Cr4Ni4、17Cr2Ni2(德国ZF1钢)、18Cr2Ni4WA等。

1.齿轮锻坯预备热处理工艺

表1为常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮锻坯预备热处理工艺。

常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮锻坯预备热处理工艺

牌号

工艺

硬度与组织

12Cr2Ni4

余热正火900~950℃;高温回火630~680℃

硬度207~260HBW

20CrNi

余热等温退火:锻坯终锻切边后,以40~50℃/min的冷却速度冷却到珠光体转变温度650~680℃,并保温至完全转变为珠光体

硬度157~207HBW,珠光体+贝氏体

17Cr2Ni2(ZF1)

正火940℃×2h,空冷;高温回火650℃×3h,空冷

硬度170~217HBW,铁素体+回火索氏体

20Cr2Ni4

正火920℃,空冷;高温回火620~630℃,空冷

硬度180HBW左右,珠光体+少量铁素体

20CrNi3、18Cr2Ni4WA

正火880~940℃,空冷;高温回火650~700℃

硬度207~269HBW,粒状或细片状珠光体+少量铁素体

20CrNi3

等温正火:加热(930±10)℃,风冷;等温温度(670±10)℃

硬度170~260HBW,铁素体+珠光体+贝氏体

2.齿轮渗碳淬火及回火热处理工艺

常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮渗碳淬火、回火热处理规范及硬度见表2。

常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮渗碳淬火、回火热处理规范及硬度

钢号

渗碳温度

/℃

淬火

回火

表面硬度

HRC

温度/℃

介质

温度/℃

介质

20CrNi

900~930

800~820

180~200

58~63

12CrNi3

900~920

810~830

150~200

空气

12Cr2Ni4

900~930

770~880

160~200

空气

≥60

20Cr2Ni4

900~930

900~950

780~820

810~830

160~200

150~180

空气

≥58

18Cr2Ni4WA

900~940

840~860

150~200

空气

≥56

3.齿轮二次加热淬火温度

(1)二次(重新)加热淬火  Cr-Ni系渗碳钢齿轮在渗碳结束后缓冷至室温,重新加热至轮齿心部Ac3以上温度进行淬火,以细化奥氏体晶粒,改善心部组织,消除渗碳层的网状碳化物,可以提高抗弯曲疲劳强度20%左右。常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮二次加热淬火的加热温度见表3。

常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮二次加热淬火的加热温度

钢号

加热温度/℃

冷却介质

20CrNi

810~830

水或油

12CrNi3

760~800

12Cr2Ni4、20Cr2Ni4

840~860

油或空气

(2)渗碳齿轮的两次淬火  Cr-Ni系渗碳齿轮渗碳结束缓冷至室温,先进行一次高于心部Ac3以上温度的淬火,以细化心部晶粒并消除渗碳层网状碳化物。这一温度对于渗碳层来说是太高了,因而必须再进行一次高于渗碳层Ac1温度,但低于Acm温度的淬火以改善渗碳层组织。常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮两次淬火的加热温度见表4。

常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮两次淬火的加热温度

钢号

一次淬火

二次淬火

加热温度/℃

淬火冷却介质

加热温度/℃

淬火冷却介质

20CrNi

860

760~810

12Cr2Ni4

20Cr2Ni2

840~880

油或空气

760~800

油或空气

4.齿轮渗碳后的热处理方式

(1)热处理工艺的选择  不同钢材的齿轮经渗碳(碳氮共渗)后,根据要求进行不同的淬火及回火处理,其工艺见表5。

(2)冷却方式的选择  渗碳(碳氮共渗)后不直接淬火的Cr-Ni系渗碳钢齿轮的各种冷却方式参见表6。

常用Cr-Ni系渗碳钢齿轮渗碳后的各种热处理方式

钢号

齿轮类型

热处理工艺

12CrNi3

20CrNi3

12Cr2Ni4

20Cr2Ni4

18Cr2Ni4WA

渗碳齿轮

渗碳900~920℃→冷却(冷却方式选择见表6)→再加热(12CrNi3、20CrNi3、12Cr2Ni4、20Cr2Ni4:[(800±10)℃;18Cr2Ni4WA:(850±10)℃])→淬火(油或碱槽(200℃±30)℃×5~10min后,空冷)→冷处理(-70~-80℃×1.5~2h)→回火

渗碳后需要进行机械加工的齿轮

渗碳→冷却→高温回火(650±10)℃×5.5~7.5h,空冷(18Cr2Ni4WA则应随炉冷至350℃以下出炉空冷)→再加热→淬火→回火

一般渗碳后,心部硬度过高的齿轮

淬火可按以下规范进行:18Cr2Ni4WA:(850±10)℃保温后,快速放入280~300℃碱槽中,保持12~20min,转入560~580℃硝盐浴中保持30~50min油冷

碳氮共渗齿轮

碳氮共渗830~850℃→直接淬火(油或碱槽,马氏体分级淬火,18Cr2Ni4WA可在空气中淬火)→冷处理→回火

碳氮共渗后还需进行切削加工的齿轮

碳氮共渗→冷却(冷却方式的选择参考表6)→高温回火→淬火→回火

注:①渗层残留奥氏体过多或心部硬度过高,可降低淬火温度至760℃。如果心部硬度偏低、铁素体量过多,

可提高淬火温度至850℃。

②回火硬度应不高于35HRC。个别零件硬度偏高,可再进行一次680~700℃高温回火。

渗碳、碳氮共渗后冷却方式(直淬除外)的选择

钢号

冷却方式

操作要求

12CrNi3、

12Cr2Ni4、

18Cr2Ni4WA

空冷

气体或盐浴渗碳、碳氮共渗后采用空冷时,表面易形成一定的贫碳层,影响齿轮的使用性能,为此适当降温后出炉并单独摆开,以增加冷速,减少脱碳

在冷却井中冷却

冷却井为四周盘有蛇形管通水的带盖容器。齿轮自井式渗碳炉中移入冷却井内冷却后,应向其中通入保护气或滴入煤油以保护齿面不脱碳、氧化(可先在冷却井中倒入适量甲醇)

在700℃等温盐浴中保持一段时间后空冷

盐浴渗碳或碳氮共渗后此冷却方式。齿轮出炉空冷时温度较低,可减少齿面脱碳

20CrNi3、

20Cr2Ni4

在缓冷坑中冷却或油冷

20CrMnMo等这类钢的齿轮如渗碳后空冷,易产生表面裂纹,需要慢冷至550~650℃等温回火

全文请查看《金属加工(热加工)》杂志19期

2021-05-10 原文

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