应对国外客户的严格要求：高合金钢的预处理方式
作者：郝丰林，蒋勇，等
单位：江苏双环齿轮、苏州久禾工业炉
来源：《金属加工（热加工）》杂志
随着汽车工业的发展，对汽车齿轮质量的要求越来越高，齿轮服役条件极其苛刻，对齿轮材料的性能要求是高的弯曲疲劳强度、接触疲劳强度和耐磨性，较高的强度和韧性，以及较好的热处理工艺性能。齿轮渗碳钢主要有CrMn系、CrMo系、CrMnTi系、CrNiMo系和CrNi系钢等，对于汽车变速器齿轮、后桥齿轮，根据其性能和失效分析得出，普通的CrMo系、MnCr系、CrMnTi系钢达不到技术要求，需采用性能更好的CrNiMo系钢。CrNiMo系钢合金元素含量略多，如18CrNiMo7-6钢、17CrNiMo6钢、19CrNiMo7-6钢等，加入了Mo、Ni等晶界强化合金元素，以提高轮齿强度和韧性，特别是渗碳层韧性，从而增强齿轮的疲劳强度和过载能力。齿轮材料的技术指标主要有：化学成分、力学性能、淬透性、晶粒度和表面质量等。铬（Cr）是最常用的一种合金元素，它能提高钢的淬透性并有二次硬化作用；在渗碳钢中，铬能形成含铬碳化物，从而提高齿轮表面耐磨性。镍（Ni）也是一种常用的强化元素，它在钢中强化铁素体并细化珠光体，总的效果是提高强度，对塑性的影响不显著；镍在提高钢的强度的同时，对钢的韧性、塑性以及工艺性能的损害较其他合金元素影响小。钼（Mo）在渗碳钢中能提高淬透性和热强性，防止回火脆性，增加回火抗力，同时还能在渗碳层中降低碳化物在晶界上形成连续网状的倾向，减少渗碳层中的残留奥氏体，相对增加了表面层的耐磨性。
一、19CrNiMo7-6钢常规热处理工艺
对于19CrNiMo7-6钢这类材料，如采用常规正火，由于正火后的冷却速度不可控，金相组织为贝氏体+少量铁素体，硬度在275HBW左右，偏高，再增加一遍高温回火，硬度在190~230HBW。如采用普通的等温正火后，易得到先共析铁素体+少量贝氏体组织，硬度200~230HBW，偏高，不过后续的切削加工在这个硬度范围还可以加工。等温正火工艺的不易控制之处在于奥氏体化加热保温后，要出炉空冷至等温温度附近，再入等温炉进行等温，此处空冷温度不易控制，受季节、气温波动性影响很大。我公司专业生产齿轮，主要服务于世界上知名的企业，不同的企业要求的材料不同，采用的预处理方式也不尽相同。有两家企业对于后桥齿轮的毛坯组织要求很有代表性，这两家的材料都是类似于19CrNiMo7-6钢。为了便于表达，这两家企业分别以甲企业和乙企业表示。对于甲企业我们提供的是制齿以后的齿坯，齿坯到该企业后进行真空渗碳、气淬；对于乙企业我们提供的是精车坯，客户负责制齿，采用推杆炉渗碳、淬火，然后再磨齿的热处理工艺。下面对甲乙两家的毛坯要求进行分析。
二、毛坯预处理技术要求
冷却速度必须足以产生珠光体和铁素体基体的贝氏体。参考的显微组织如图1所示，图1a为珠光体和铁素体，不接收；图1b为珠光体和铁素体+少量贝氏体，不接收；图1c中以贝氏体为主，部分珠光体和铁素体，这是交货的临界状态；图1d中以贝氏体为主，少量细珠光体，可接收。硬度为180～220HBW，目标值为200HBW。
图1 甲企业参考的显微组织
要求等温退火后在齿部外径20%范围内不得有贝氏体，其余位置有≤10%的贝氏体，硬度要求156～187HBW。等温退火后不可以二次热处理（高温回火降低硬度）。带状组织≤5级。对于轴承部位及齿部的硬度金相都要检测。参考的显微组织如图2所示。图2a中为铁素体+珠光体，可接收；图2b中为铁素体+珠光体，可接收；图2c中为铁素体+珠光体+贝氏体，拒收。
图2 乙企业参考的显微组织
三、选择合理的热处理工艺
甲企业、乙企业的预处理要求属于普通正火和等温退火的极限要求，对于甲企业来说，毛坯冷却时要足够快，冷却温度要可控；对于企业乙来说，毛坯冷却速度、冷却温度要可控。根据这两家的技术要求，我们选用网带式等温退火炉，采用了不同的冷却方式达到了客户要求。甲企业毛坯正火后显微组织如图3所示，硬度为205HBW。
图3 甲企业毛坯正火后显微组织
乙企业毛坯等温退火后显微组织如图4所示，硬度为165HBW。
图4 乙企业毛坯等温退火后显微组织
我们提供给甲企业的是制齿坯，在加工过程中，与毛坯是铁素体加珠光体组织的齿坯相比，刀具消耗没有太大区别。由于我们提供给客户的是没有渗碳的产品，尤其是针对甲企业对毛坯的要求，按以前的思路分析，毛坯是贝氏体，所以刀具消耗会大。由于毛坯硬度高，加工应力也大，所以对于渗碳淬火后的心部组织可能有影响。为了验证，我们对精车坯进行渗碳淬火，检测心部金相组织。采用的渗碳工艺如图5所示，渗碳周期有7h，甲企业的毛坯渗碳后显微组织如图6所示，乙企业的毛坯渗碳后显微如图7所示。
图5 渗碳工艺
图6 甲企业毛坯渗碳后显微组织
图7 乙企业毛坯渗碳后显微组织
对于此类材料毛坯预处理，无论组织是贝氏体还是铁素体+珠光体，渗碳后的金相都是合格的。但是对于甲企业来说，采用真空渗碳，在渗碳的前期增加一个去应力工序，渗碳后的金相组织会更好。
