CN107779753A

CN107779753A - 一种低淬透性高碳齿轮钢及热处理工艺

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Publication number: CN107779753A
Application number: CN201711219013.8A
Authority: CN
Inventors: 柳永宁; 孙俊杰; 张贵; 张贵一
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2018-03-09
Anticipated expiration: 2037-11-28
Also published as: CN107779753B

Abstract

一种低淬透性高碳齿轮钢及热处理工艺，其化学成分为：1.0‑1.5％C，0.5‑2.5％Si，0.1‑0.5％Cr，0.01‑0.3％Mo，0.01‑0.3％Cu，0‑0.2％V，0‑0.03％Nb，余量为Fe，该材料通过真空熔炼获得铸锭，将铸锭加热完全奥氏体化并保温一段时间使合金成分均匀化，在降温过程中连续锻造成所需尺寸，终锻温度850～900℃，锻件经780‑820℃加热保温1‑8小时，以20℃/min的速度冷却到700‑650℃出炉获得铁素体球状渗碳体组织，本发明可以满足渗碳钢的全部性能指标，可以节省大量的能源。

Description

一种低淬透性高碳齿轮钢及热处理工艺

技术领域

本发明属于机械制造技术领域，特别涉及一种低淬透性高碳齿轮钢及热处理工艺。

背景技术

机械工业是社会各行业中的用电大户，热处理行业又是机械工业中的用电大户。渗碳工艺是热处理工艺中的普遍应用的工艺，渗碳热处理要将零件加热到900-950C°保温8-9小时，因而，渗碳过程中消耗大量能量，是热处理工艺中能源消耗最大的一种工艺。此外，渗碳过程需要分解煤油和甲醇，产生大量的CO，对环境产生污染。如果能够取代这一工艺，将产生巨大的节能效果与环境效果。

渗碳工艺中采用的是低碳钢，含碳量一般在0.2％左右，经渗碳处理，表面的含碳量期望达到1.0-1.2％，然后进行整体淬火处理，表面获得高碳马氏体保证耐磨性，心部获得低碳马氏体保证足够的强度与韧性，因此这种材料与渗碳工艺在汽车、拖拉机、工程机械领域中的齿轮及轴类零件中广泛使用，典型的渗碳钢有20CrMnTi，20CrMnMo。目前还没有一种新材料与工艺能够将渗碳工艺取代。

感应淬火热处理在齿轮热处理工艺中应用已有30余年的历史，国外发展的已经相当成熟，国内的设备也能满足各种模数齿轮的表面轮廓淬火的要求。目前也有齿轮采用感应热处理工艺，但这种齿轮采用中碳钢，如专利201410082954.1"一种中碳齿轮热处理工艺"介绍了45#钢的感应淬火热处理工艺，包括：调制处理；感应淬火；回火三个步骤，处理后的硬度为550-600HV。这一硬度值比较低，难以达到渗碳淬火的硬度。论文“对我国齿轮感应淬火技术的评述”《金属热处理》2004年第29卷第1期，综述了国内外齿轮感应淬火热处理现状，采用双频感应淬火，可以获得理想的齿壳硬度分布，国内企业主要采用40Cr和42CrMo，淬火后可以达到45-50HRc的范围，这一硬度无法与渗碳齿轮的表面硬度相比。为了进一步提高表面硬度，含碳量已提高到了0.7％，如日本企业采用了70Mn钢，国内企业采用了60CrMoV。尽管如此，含碳量比渗碳处理后的表面含碳量低许多，因而耐磨性仍然到不到要求，未能大批量在汽车、拖拉机齿轮中使用。

发明内容

为了克服以上技术缺陷，本发明的目的在于提供了一种低淬透性高碳齿轮钢及热处理工艺，省去渗碳工艺，对其只进行感应淬火热处理，表面达到高硬度，心部保持高韧性，可以满足渗碳钢的全部性能指标，可以节省大量的能源。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种低淬透性高碳齿轮钢，其质量百分比(wt.％)配比为：1.0-1.5％C，0.5-2.5％Si，0.1-0.5％Cr，0.01-0.3％Mo，0.01-0.3％Cu，0-0.2％V，0-0.03％Nb，余量为Fe和不可避免的杂质。

通过真空熔炼或常规工业特种优质钢的工艺熔炼获得铸锭或连轧型材，所述的杂质氧含量小于30ppm，S、P含量分别小于0.025％。

一种低淬透性高碳齿轮钢热处理工艺，包括以下步骤，

步骤一：

按质量百分比为：1.0-1.5％C，0.5-2.5％Si，0.1-0.5％Cr，0.01-0.3％Mo，0.01-0.3％Cu,0-0.2％V，0-0.03％Nb，余量为Fe和不可避免的杂质进行配比，将此配比原料通过真空熔炼或常规工业特种优质钢的工艺熔炼获得铸锭或连轧型材，所述的杂质氧含量小于30ppm，S、P含量分别小于0.025％。

步骤二：

将步骤一中得到的铸锭或轧制型材加热到1050～1100℃完全奥氏体化并保温一段时间使合金成分均匀化，在降温过程中连续锻造成所需形状和尺寸的工件，终锻温度850～900℃，锻件经780-820℃加热保温1-8小时，以20℃/min的速度冷却到700-650℃出炉空冷至室温，得到低淬透性高碳齿轮钢的工件。

步骤三：

再将步骤二中得到的工件进行感应淬火处理，通过调控感应淬火加热时间、电流和感应加热频率调控淬硬层深度。

所述的热处理后的低淬透性高碳齿轮钢工件表面的淬火硬度为62-65HRc，淬硬层深度0.5-5mm，同时表面残余压应力达到400-600Mpa。

所述的热处理后的低淬透性高碳齿轮钢工件平均晶粒尺寸7-10μm，碳化物为平均尺寸在0.3-0.6μm，马氏体片的长度为0.5-2μm，心部屈服强度600-950MPa，抗拉强度900-1400MPa，延伸率12-22％。

本发明的有益效果：

本发明可以省去渗碳工艺，对其只进行感应淬火热处理，表面达到高硬度，心部保持高韧性，可以满足渗碳钢的全部性能指标，采用该用以可以节省大量的能源，具有较好的疲劳性能与耐磨性。

附图说明

图1为超高碳钢的球化组织，铁素体与超细渗碳体。

图2为低淬透性高碳钢感应淬火硬度沿层深变化。

图3为淬火层组织，a,b淬火组织超细马氏体与超细渗碳体。

图4为淬火组织，颗粒碳化物与隐晶马氏体。

图5为淬火马氏体TEM图像，马氏体尺度。

图6为淬火组织晶粒尺寸。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

所用材料成分为wt％：1.5C，2.5Si，0.5Cr，0.1Mo，0.01Cu，余量为Fe。经1050℃奥氏体化后，锻造淬火所需尺寸，终锻温度为900℃。锻件经820℃加热保温1小时，以20℃/min的速度冷却到700℃出炉空冷即获得图1所示的组织。经感应热处理后的硬度曲线如图2中UHCS-1曲线所示，达到了良好的薄壳淬火的效果，表面硬度达到1000HV，淬硬层深度约1.5mm，如图3所示。

实施例2：

所用材料成分为(wt％)：1.0C，1.0Si，0.1Cr，0.3Mo，0.01Cu余量为Fe。1050℃奥氏体化后，锻造淬火所需尺寸，终锻温度为900℃。锻件经800℃加热保温6小时，以20℃/min的速度冷却到650℃出炉空冷即获得铁素体+颗粒渗碳体球化组织。经感应热处理后沿表层到心部硬度分布如图2中UHCS-2曲线所示。表面硬度900HV，淬硬层深度约1.8mm，达到了薄壳淬火的效果。

实施例3：

所用材料成分为(wt％)：1.35C，0.5Si，0.5Cr，0.01Mo，0.3Cu，余量为铁。1100℃奥氏体化后，锻造淬火所需尺寸，终锻温度为850℃。锻件经800℃加热保温8小时，以20℃/min的速度冷却到650℃出炉空冷即获得铁素体+颗粒渗碳体球化组织。经感应热处理后沿表层到心部硬度分布如图2中UHCS-3曲线所示。表面硬度900HV，出现了更缓的硬度梯度，距表层3mm处硬度降低到了700HV，淬硬层总深度约3mm，达到了薄壳淬火的效果。

实施例4：

所用材料成分为(wt％)：1.4C，0.2Si，0.5Cr，0.2Mo，0.01Cu，0.2V。经1000℃奥氏体化后，锻造淬火所需尺寸，终锻温度为900℃。锻件经780℃加热保温2小时，以20℃/min的速度冷却到700℃出炉空冷即获得力学性能如表1所示。Re＝624MPa，Rm＝934MPa，A＝22％，Z＝36％。

实施例5：

所用材料成分为(wt％)：1.4C，0.8Si，0.5Cr，0.01Mo，0.01Cu，0.01Nb。经1000℃奥氏体化后，锻造淬火所需尺寸，终锻温度为900℃。锻件经820℃加热保温4小时，以20℃/min的速度冷却到700℃出炉空冷即获得力学性能如表1所示。Re＝902MPa，Rm＝1307MPa，A＝13％，Z＝31％。

实施例6：

所用材料成分为(wt％)：1.3C，1.5Si，0.5Cr，0.2Mo，0.01Cu，0.02Nb。经1000℃奥氏体化后，锻造淬火所需尺寸，终锻温度为900℃。锻件经860℃加热保温2小时，以20℃/min的速度冷却到700℃出炉空冷即获得力学性能如表1所示。Re＝903MPa，Rm＝1327MPa，A＝12％，Z＝31％。

以上结果显示，采用超高碳钢替代渗碳钢做齿轮和轴类零件可以取消渗碳工艺，采用表面感应淬火就可以达到各方面的性能要求。这样可以取消渗碳工艺，将大幅节约能源，同时减少产品成本和生产周期，对企业和社会都有巨大的好处。由于感应淬火，马氏体相变只在表层进行，这将导致表层产生较大的残余压缩应力，有助于提高疲劳寿命。

本发明的核心是采用高碳钢替代低碳钢进行渗碳处理工艺。高碳钢的含碳量可以在1.0-2.0％的范围变化，传统成分的高碳钢经淬火热处理后可以达到很高的硬度，满足齿轮的耐磨性要求，但齿轮的牙齿全部被淬透，心部硬度太高韧性太低，无法承受弯曲载荷与冲击载荷。脆性主要来源于淬硬的高碳马氏体。如果淬火时只有表面淬火而心部保持非淬火态组织，这将达到低碳钢渗碳处理的同样效果。心部非淬火组织要保持一种球状渗碳体与铁素体组织，这种组织具有较高的强度与塑性的配合，可以达到低碳渗碳钢的心部的强度与韧性要求。

表1显示几种高碳钢与渗碳钢基本力学性能，高碳钢只需正火处理就达到并超过渗碳钢心部淬火的性能指标。这表明，如果以高碳钢替代渗碳钢，可以不用渗碳整体淬火工艺，只需进行表面感应淬火即可达到要求。

表1.高碳钢与渗碳钢力学性能

本发明所设计的低淬透性高碳齿轮钢及热处理工艺，其化学成分为：1.0-1.5％C，0.5-2.5％Si，0.1-0.5％Cr，0.01-0.3Mo，0.01-0.3Cu，0-0.2V，0-0.03Nb，余量为Fe和不可避免杂质。添加1.0-1.5％C是为保证材料淬火后有较高硬度与耐磨性；添加0.5-2.5％Si时为了提高球化速率，抑制网状碳化物生成；添加0.1-0.5％Cr是为了提高钢的抗氧化能力，加入Mo是微粒抑制回火脆性，加入Cu是为了提高耐腐蚀性，添加V、Nb、Ti是为了细化晶粒。

该材料通过真空熔炼或常规工业特种优质钢的工艺熔炼获得铸锭或连轧型材，氧含量小于30ppm，S、P含量分别小于0.025％。将铸锭或轧制型材加热到1050～1100℃完全奥氏体化并保温一段时间使合金成分均匀化，在降温过程中连续锻造成所需形状和尺寸，终锻温度850～900℃。锻件经780-820℃加热保温1-8小时，以20℃/min的速度冷却到700-650℃出炉空冷即获得图1所示的球化组织，该组织中渗碳体全部被球化，基体是铁素体，晶粒尺寸7-10μm。其基本力学性能如表1所示，强度和塑性都超过了典型渗碳钢20CrMnTi的淬火低温回火指标。

图2显示本发明的高碳钢采用感应淬火后硬度沿层深变化曲线。图中结果显示根据不同的加热时间、电流和频率，淬火层深度可调控。表面的淬火硬度可以达到62-65HRc。这一硬度值完全达到并超过了渗碳淬火的硬度，同时表面残余压应力达到400-600Mpa。

图3显示感应淬火层的组织，淬火层中无网状渗碳体，感应淬火层组织均匀。

图4为感应淬火层的SEM组织，颗粒状碳化物弥散分布在马氏体基体上，碳化物平均尺寸在0.3-0.6μm。

图5为感应淬火层的TEM组织，马氏体晶的长度小于0.5-2μm，这种组织比传统渗碳钢的组织细小。

图6显示感应淬火层的晶粒尺寸，感应淬火层晶粒细小，平均晶粒尺寸7-10μm。

Claims

1.一种低淬透性高碳齿轮钢，其特征在于，其质量百分比(wt.％)配比为：1.0-1.5％C，0.5-2.5％Si，0.1-0.5％Cr，0.01-0.3％Mo，0.01-0.3％Cu，0-0.2％V，0-0.03％Nb，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种低淬透性高碳齿轮钢，其特征在于，该材料通过真空熔炼或常规工业特种优质钢的工艺熔炼获得铸锭或连轧型材，所述的杂质氧含量小于30ppm，S、P含量分别小于0.025％。

3.一种低淬透性高碳齿轮钢热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤，

步骤一：

按质量百分比为：1.0-1.5％C，0.5-2.5％Si，0.1-0.5％Cr，0.01-0.3％Mo，0.01-0.3％Cu，0-0.2％V，0-0.03％Nb，余量为Fe和不可避免的杂质进行配比，将此配比原料通过真空熔炼或常规工业特种优质钢的工艺熔炼获得铸锭或连轧型材，所述的杂质氧含量小于30ppm，S、P含量分别小于0.025％。

步骤二：

步骤三：

4.根据权利要求3所述的一种低淬透性高碳齿轮钢热处理工艺，其特征在于，所述的热处理后的低淬透性高碳齿轮钢工件表面的淬火硬度为62-65HRc，淬硬层深度0.5-5mm，同时表面残余压应力达到400-600Mpa。

5.根据权利要求3所述的一种低淬透性高碳齿轮钢热处理工艺，其特征在于，所述的热处理后的低淬透性高碳齿轮钢工件平均晶粒尺寸7-10μm，碳化物为平均尺寸在0.3-0.6μm，马氏体片的长度为0.5-2μm，心部屈服强度600-950MPa，抗拉强度900-1400MPa，延伸率12-22％。