CN114164330A - 一种齿轮钢20MnCr5热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种齿轮钢20MnCr5热处理方法,其特征在于对钢材先进行在线正火,然后进行离线高温回火,回火温度为670‑690℃,经过高温回火后,钢材芯部偏析带内的带状组织由贝氏体+马氏体全部转变为铁素体+珠光体。采用本发明热处理方法,钢材带状组织无明显升高,硬度从175HBW左右降低至157HBW左右,且没有出现球化现象,齿轮钢20MnCr5在连续式辊底炉上高温回火后的各项指标均满足客户要求。
Description
技术领域
本发明涉及冶金领域的热处理工艺,具体涉及一种齿轮钢热处理方法。
背景技术
随着我国汽车工业的发展,国内引进钢的品种和数量明显增加,其中包括20MnCr5钢在内的Mn-Cr系合金渗碳齿轮钢。由于热处理工艺在齿轮的制造过程中起着承接作用,经热处理后的零件切削性能将影响后续的机加工工序,而表面硬度、芯部韧性和塑性也影响后续渗碳工序,因此热处理工序至关重要。为了进一步提高汽车齿轮的质量,人们对汽车齿轮钢及其热处理工艺方法进行较多的研究。
20MnCr5正火后芯部存在偏析带,如何消除这个偏析带提高齿轮钢质量,成为研究的重点。
发明内容
随着客户对产品的要求越来越高,为了适应市场需求,本发明对齿轮钢20MnCr5生产过程进行研究,提供一种齿轮钢热处理方法,将正火后的齿轮钢20MnCr5进行高温回火,有效消除其芯部带状组织,保证齿轮钢各项优良性能,同时获得较低的硬度,满足客户加工要求。
本发明的目的是为了达到上述发明目的,本发明采用以下技术方案予以实现:
一种齿轮钢20MnCr5热处理方法,其特征在于对钢材先进行在线正火,然后进行离线高温回火,回火温度为670-690℃,经过高温回火后,钢材芯部偏析带内的带状组织由贝氏体+马氏体全部转变为铁素体+珠光体。
优选地,所述回火温度为680℃。
优选地,所述离线高温回火保温时间为2-2.5小时。
优选地,所述离线高温回火采用连续式辊底炉进行。
优选地,经过所述在线正火和离线高温回火后,钢材硬度≤166HBW。
优选地,经过所述在线正火和离线高温回火后,钢材芯部带状组织评级为1.5。
优选地,所述在线正火采用如下工艺:均热段温度1120-1160℃,加热时间≥240min,轧制温度900-920℃。
本发明有益效果:
针对齿轮钢20MnCr5在线正火后无法消除芯部(M+B)偏析带,硬度也无法满足≤166HBW的要求的问题,本发明提供一种齿轮钢20MnCr5热处理方法,对在线正火后的20MnCr5进行离线高温回火,20MnCr5芯部(M+B)偏析带分解为铁素体+碳化物后被消除,带状组织并无明显升高,硬度从175HBW左右降低至157HBW左右,且没有出现球化现象,20MnCr5在连续式辊底炉上高温回火后的各项指标均满足客户要求。
附图说明
图1为在线正火试验结果金相组织图;其中(a)为芯部带状组织2.0级200x(工艺1),(b)为芯部带状组织1.5级200x(工艺2);
图2为理化室高温回火试验结果芯部带状组织评级;其中(a)为650℃芯部带状组织1.5级200x(工艺1),(b)为670℃芯部带状组织1.5级200x(工艺1),(c)为690℃芯部带状组织1.5级200x(工艺1),(d)为710℃芯部带状组织2.0级200x(工艺1);
图3为连续式辊底炉高温回火试验结果脱碳示意图;其中(a)为入炉前脱碳100X0.16mm(工艺1),(b)为入炉前脱碳100X 0.15mm(工艺2),(c)为出炉后脱碳100X 0.21mm(工艺1),(d)为出炉后脱碳100X 0.22mm(工艺2);
图4为正火采用工艺1的钢材进行高温回火后的带状组织图;其中(a)为边部100x带状0.5(工艺1),(b)为R/3 100x带状1.5(工艺1),(c)为芯部100x带状2.0(工艺1);
图5为正火采用工艺2的钢材进行高温回火后的带状组织图;其中(a)为边部100x带状0.5(工艺2),(b)为R/3 100x带状0.5(工艺2),(c)为芯部100x带状1.5(工艺2);
图6为客户带状组织评估标准1;
图7为客户带状组织评估标准2。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明技术方案做进一步详细说明。
为了消除正火后的齿轮钢20MnCr5芯部带状组织,本实施例对齿轮钢20MnCr5热处理工艺进行了深入研究,提出一种在线正火+离线高温回火工艺的热处理方法。
1在线正火试验
1.1在线正火试验方案
试验材料选取二火材20MnCr5,共16支坯料,轧钢厂模拟在线正火,采用以下两种工艺进行对比:
工艺1:(1)加热温度:均热段温度1120-1160℃;(2)加热时间:≥240min;(3)kocks轧机轧制温度:860-880℃,试验8支。
工艺2:(1)加热温度:均热段温度1120-1160℃;(2)加热时间:≥240min;(3)kocks轧机轧制温度:900-920℃,试验8支。
1.2在线正火试验结果
表1在线正火试验结果
1#和2#芯部都存在偏析带,偏析带内组织为贝氏体+马氏体,是由于Mn、Cr等合计元素的偏析,造成C曲线右移,增加了奥氏体冷却时的稳定性,当冷却至珠光体转变温度以下后,残余奥氏体转变为贝氏体和马氏体组织。
关于贝氏体含量的评估,要求在100倍光学显微镜下评估纵截面,且除芯部偏析外整个纵界面需要被评估。但从图1所示1#和2#的金相观察来看,除了芯部偏析带,其余位置的带状组织中均为铁素体+珠光体,并不存在贝氏体,故1#和2#热轧态组织的贝氏体含量为0。
从2种工艺得到的带状组织和硬度来看,工艺2带状组织级别较工艺1轻,可能是由于:(1)工艺2的终轧温度较高,相同的轧制变形量情况下,轧制温度高轧材的再结晶比较充分,晶粒细化,带状较细,级别较轻;(2)工艺2轧后温度较高,在相同的环境下,在先共析铁素体析出温度内的过冷度较大冷速较快,抑制了先共析铁素体的形成,降低了带状组织级别。工艺2硬度较工艺1稍低,可能是由于工艺2终轧温度高,相同的冷却工艺下,上冷床温度较高,由于冷床上的自回火效果,造成工艺2冷却后的热轧态硬度稍低。
由此,本发明的齿轮钢20MnCr5热处理方法,在线正火工艺优选工艺2。
2高温回火试验
2.1高温回火试验方案
在理化室做了4个温度的回火试验,选取最佳回火温度后,在厂区连续式辊底炉再做连续式辊底炉高温回火试验。
表2高温回火试验方案
试验编号 | 回火温度 | 保温时间 | 冷却方式 |
1 | 650 | 2 | 随炉冷至500℃后,取出空冷 |
2 | 670 | 2 | 随炉冷至500℃后,取出空冷 |
3 | 690 | 2 | 随炉冷至500℃后,取出空冷 |
4 | 710 | 2 | 随炉冷至500℃后,取出空冷 |
2.2高温回火试验结果
表3高温回火试验结果
从硬度结果来看:(1)无论正火采用工艺1和工艺2,无论哪种回火温度,在线正火+高温回火后的硬度均满足客户的需求≤166HBW;(2)正火采用工艺2的钢材经过4种回火温度处理后,硬度均小于正火采用工艺1的4种回火温度;(3)4个回火温度工艺下,硬度并无太明显的变化,随着回火温度的升高,硬度并未明显降低。经理化评级,如图2所示,1#650℃芯部带状组织1.5级;1#670℃芯部带状组织1.5级;1#690℃芯部带状组织1.5级;1#710℃芯部带状组织2.0级。
从带状组织结果来看:(1)随着回火温度的升高,带状组织级别升高;(2)芯部偏析带的贝氏体+马氏体回火后都转变为铁素体+碳化物颗粒(珠光体)。综上,回火温度为670-690℃时,硬度和带状组织级别达到最优,故连续式辊底炉高温回火试验选取670-690℃进行试验。
3连续式辊底炉高温回火具体方案
试验选取正火工艺1,工艺2的棒料进行试验,试验方案如下,辊速12m/h,保证680℃(温度波动±10℃),保温时间约为2小时,然后缓冷至500℃后出炉:
表4连续式辊底炉高温回火试验方案
3.1连续式辊底炉高温回火试验结果,如表5和图3所示
表5连续式辊底炉高温回火试验结果
连续式辊底炉为氮气保护气氛,气氛中残氧量<5ppm,对比工艺1和工艺2入炉前和出炉后的脱碳情况,部分脱碳深度均增加0.05mm左右。材料经连续式辊底炉高温回火后,脱碳深度增加较少,约为0.22mm左右,满足客户关于部分脱碳不得深于0.3mm的要求。
对比工艺1和工艺2入炉前和出炉后的带状组织情况可以看出,入炉前和出炉后的带状组织并未升高,边部的带状稍有降低,芯部和R/3处的带状组织基本无变化,如图4、5所示。按照客户带状组织评估标准1(如图6),要求检测位置距离表面R/3处,可接受的的带状组织不超过,采用本发明方法热处理后的带状组织完全满足要求。
对比工艺1和工艺2的高温回火后的硬度,2种工艺的材料在连续式辊底炉中经相同的高温回火工艺处理后,采用9点法和客户标准测得的平均硬度几乎无差别,均约为157HBW左右,满足客户≤166HBW的要求。
20MnCr5材料经过在线正火,实验室高温回火和连续式辊底炉高温回火试验后,可以得出以下结论:
(1)20MnCr5材料经热轧后,芯部会产生(M+B)偏析带,这种偏析带与材料的芯部合金成分偏析有关,目前的轧制设备无缓冷能力,无法通过热轧来避免此类组织的产生,只能通过连铸工艺来减轻。
(2)20MnCr5材料经2种在线正火工艺后,工艺2(进kocks轧制温度900-920℃)的带状组织较低,硬度也较低,优于工艺1。
(3)在实验室采用4种工艺对工艺1材料和工艺2材料进行高温回火,芯部贝氏体和马氏体被消除,且带状和硬度都满足要求,得出最优的高温回火温度为670-690℃。
(4)工艺1材料和工艺2材料经连续式辊底炉高温回火后,部分脱碳深度均增加0.05mm左右,部分脱碳深度约为0.22mm<0.3mm;硬度基本无差别,为156-158HBW<166HBW;带状组织与高温回火前相比没有升高,带状组织级别<客户带状组织评估标准2(如图7)。
综上所述,针对20MnCr5在线正火后无法消除芯部(M+B)偏析带,硬度也无法满足客户≤166HBW的要求的问题,本发明的齿轮钢20MnCr5热处理方法对正火后的20MnCr5进行离线高温回火,20MnCr5芯部(M+B)偏析带分解为铁素体+碳化物后被消除,带状组织并无明显升高,硬度从175HBW左右降低至157HBW左右,且没有出现球化现象,20MnCr5在连续式辊底炉上高温回火后的各项指标均满足客户要求。
Claims (7)
1.一种齿轮钢20MnCr5热处理方法,其特征在于对钢材先进行在线正火,然后进行离线高温回火,回火温度为670-690℃,经过高温回火后,钢材芯部偏析带内的带状组织由贝氏体+马氏体全部转变为铁素体+珠光体。
2.如权利要求1所述的齿轮钢20MnCr5热处理方法,其特征在于所述回火温度为680℃。
3.如权利要求1所述的齿轮钢20MnCr5热处理方法,其特征在于所述离线高温回火保温时间为2-2.5小时。
4.如权利要求1所述的齿轮钢20MnCr5热处理方法,其特征在于所述离线高温回火采用连续式辊底炉进行。
5.如权利要求1所述的齿轮钢20MnCr5热处理方法,其特征在于经过所述在线正火和离线高温回火后,钢材硬度≤166HBW。
6.如权利要求1所述的齿轮钢20MnCr5热处理方法,其特征在于经过所述在线正火和离线高温回火后,钢材芯部带状组织评级为1.5。
7.如权利要求1所述的齿轮钢20MnCr5热处理方法,其特征在于所述在线正火采用如下工艺:均热段温度1120-1160℃,加热时间≥240min,轧制温度900-920℃。
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