CN116240343A - 一种高Ni渗碳齿轮钢的后热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高Ni渗碳齿轮钢的后热处理工艺,是将经过常规热处理工艺处理后,经检测表面残余奥氏体较多的零部件,按照残余奥氏体的等级,在170℃~190℃或230℃~270℃温度下回火处理14~16h。具体的,当零部件表面残余奥氏体>5级时,可先将零部件在‑40℃条件下冷处理2~3h,然后在180℃温度下回火处理15h;也可将零部件在260℃温度下回火处理15 h。当零部件表面残余奥氏体≤4级时,需先将零部件在‑40℃条件下冷处理2~3h,然后在180℃温度下回火处理15h。经过本发明的后热处理工艺处理后,零部件表面残余奥氏体较多且硬度偏低的零部件,其表面残余奥氏体含量可由4~5级降为3级,表面硬度提高1~5HRC不等,经过生产实际验证,经处理后产品重新达到技术要求的比例为85~90%,大大提高了零部件的合格率。
Description
技术领域
本发明涉及高Ni渗碳钢的热处理工艺,尤其是涉及一种用于生产重载齿轮、高速齿轮及承受冲击载荷较大零部件的高Ni渗碳齿轮钢的后热处理工艺。
背景技术
20Cr2Ni4渗碳齿轮钢属于中合金高Ni渗碳钢,淬透性好,芯部硬度高、韧性好,常用于重载齿轮、高速齿轮及承受冲击载荷较大零部件的加工制作,广泛应用于化工、冶金、矿山机械、电站、船舶、航空、军工等领域中与主机配套和通用减速器中的传动件,应用范围广,遍及国民经济多个部门。
国标GB/3077-2015规定,20Cr2Ni4材料合金元素的质量百分比(%)为:C 0.17~0.23,Si 0.17~0.37,Mn 0.30~0.60,Cr 1.25~1.65,Ni 3.25~3.65;残余元素:P≤0.030,S≤0 .030,Cu≤0 .30,Mo≤0 .10,奥氏体晶粒度不粗于5级。为提高零部件的综合力学性能及使用寿命,需要对其进行强化热处理,常用的强化热处理工艺有渗碳淬火、渗氮以及感应淬火等。
由于该材料合金含量高,经渗碳淬火热处理工艺处理后零部件表面残余的奥氏体普遍较多,有时会导致硬度不能满足工艺58-62HRC的要求,对这些零部件(齿轮)往往是通过重新淬火来提高硬度,但重新淬火一方面浪费了能源,提高了生产成本,延长了生产周期,另一方面也增大了零部件的变形量,最为关键的是一旦重新淬火后硬度依然达不到工艺要求,工件将不得不进行报废处理。因此,如何在常规热处理工艺后对表面残余奥氏体多、硬度不能满足要求的这些零部件找到合适的处理方式,既能够继续降低零部件表面的残余奥氏体,还能提高零部件的表面硬度已成为齿轮热处理行业亟待解决的一大难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高Ni渗碳齿轮钢的后热处理工艺,以解决20Cr2Ni4渗碳齿轮钢在常规热处理后一些零部件存在的残余奥氏体偏高,表面硬度低的技术问题。
为实现上述目的,本发明可采取下述技术方案:
本发明所述的高Ni渗碳齿轮钢的后热处理工艺,是将经过常规热处理工艺处理后,经检测表面残余奥氏体较多的零部件,按照残余奥氏体的等级,在170℃~190℃或230℃~270℃温度下回火处理14~16h。
回火温度最佳为180℃或260℃,回火时间最佳为15h。
当零部件表面残余奥氏体>5级时,有两种处理方法:
其一:如果生产厂家具有冷处理设备资源时,可先将零部件在-40℃条件下冷处理2~3h,然后在180℃温度下回火处理15h;其二:如果生产厂家没有冷处理设备资源,可将零部件在260℃温度下回火处理15 h。
当零部件表面残余奥氏体≤4级时,先将零部件在-40℃条件下冷处理2~3h,然后在180℃温度下回火处理15h。
本发明的优点在于:
采用低温回火的方法来降低高Ni渗碳钢经热处理工艺后出现的零部件表面残余奥氏体偏高、表面硬度低的问题,可以很好的解决热处理行业的一大难题。
由于20Cr2Ni4渗碳齿轮钢中的残余奥氏体稳定化在24小时内相对不敏感,放置24小时内进行冷处理,残余奥氏体会进一步转化为硬度较高的马氏体,残余奥氏体含量降低,硬度提高;提高回火温度一方面残余奥氏体转化为马氏体降低了残余奥氏体含量,提高了硬度,另一方面碳原子从奥氏体和马氏体析出降低了硬度,当残余奥氏体较多时,提高硬度可以起到主要作用。
试验证明,经过常规热处理工艺处理后,对于零部件表面残余奥氏体较多且硬度偏低的零部件,经过本发明的后热处理工艺处理后, 其表面残余奥氏体含量可由4~5级降为3级,表面硬度提高1~5HRC不等,经过生产实际验证,经处理后产品重新达到技术要求的比例为85~90%,大大提高了零部件的合格率。
附图说明
图1是20Cr2Ni4渗碳齿轮钢常规渗碳淬火热处理工艺图。
图2为本发明空冷+冷处理+180℃回火的后热处理工艺图。
图3为本发明空冷+260℃回火的后热处理工艺图。
图4为本发明后热处理前、后齿轮表面残余的奥氏体等级对比图。
图5为本发明后处理前、后齿轮表面硬度对比图。
具体实施方式
下面通过具体实例对本发明进行更加详细的说明,以便于本领域技术人员的理解。
实施例1 采用20Cr2Ni4渗碳齿轮钢生产200件变速箱用齿轮,齿轮模式M=7。
热处理前测定,生产该批齿轮的基材按照重量百分比,包括如下组分:C 0.17~0.23,Si 0.17~0.37,Mn 0.30~0.60,Cr 1.25~1.65,Ni 3.25~3.65;残余元素:P≤0.030,S≤0 .030,Cu≤0 .30,Mo≤0 .10,奥氏体晶粒度不粗于5级。符合国标GB/3077-2015的规定。
首先将该批齿轮按常规工艺进行渗碳淬火热处理,其具体工艺如图1所示:
在930℃下强渗16h,扩散6h,强渗碳势为1.2%,扩散碳势为1.0%;炉冷至830℃,碳势降为0.88%,保温一段时间后出炉缓冷至室温;重新加热至650℃,保温3h后出炉空冷至室温;阶梯加热至820℃,碳势为0.88%,保温2h后在淬火油中进行淬火(油淬);重新加热至180℃低温回火10h。
将热处理后的200件齿轮空冷24h后进行检测,符合要求(齿轮表面残余奥氏体3级以下,表面硬度58~62HRC)的齿轮有150件,不达标的齿轮有50件(其中奥氏体等级为5级的20件,硬度为55~56HRC;奥氏体等级为4级的30件,硬度为57~58HRC)。
为降低不达标的50件齿轮表面残余的奥氏体,对这批齿轮按照本发明的方法进行后热处理工艺处理,具体操作如下:
1、对表面残余奥氏体等级为5级的20件齿轮分两批进行处理:
1)第一批10件齿轮在空冷24小时后,首先将其放在-40℃冰柜里冷处理2.5h,然后再置于180℃的井式回火炉内回火15h,其后热处理工艺如图2所示;处理完毕的齿轮经检测,10件齿轮表面残余奥氏体等级从5降为3,表面硬度从55~56HRC提高到59~60HRC,全部达到了技术要求。
2)第二批10件齿轮在空冷24小时后,直接置于260℃的井式回火炉内回火15h,其后热处理工艺如图3所示;处理完毕的齿轮经检测,其表面残余奥氏体等级均从5降为3,有9件齿轮的表面硬度从55~56HRC提高到58~59HRC,仅有一件未达到58HRC以上。
2、对表面残余奥氏体为4级的30件齿轮进行处理:将空冷24小时后的齿轮放在-40℃冰柜里冷处理2.5h,然后置于180℃的井式回火炉内回火15h,其后热处理工艺如图2所示;处理完毕的齿轮经检测,其表面残余奥氏体等级从4降为3,表面硬度从57~58HRC提高到59~60HRC,全部达到了技术要求。
经本发明的后热处理工艺处理前、后的齿轮表面残余的奥氏体等级和表面硬度对比如图4、图5所示。
实施例2 本发明的原理性试验
1、后热处理工艺中的冷处理温度试验
以往的研究经验表明,要想实现最大残余奥氏体的转化,最后的终冷温度应小于马氏体相变点的终止线Mf,根据以往文献中的经验公式:
Mf=Ms-215 (1)
Ms=520-320Cs-45Mn-30Cr-20Ni-20Mo-5Si-5Cu (2)
C S=f e C p (3)
lgf e=0.013Mn+0.013Mo+0.04Cr+0.055Si-0.014Ni (4)
其中f e为材料合金系数;C p为炉内最终碳势。
经计算得:20Cr2Ni4材料合金系数f e=0.964~0.997之间,当炉内最终碳势控制在0.88%时,最终计算的马氏体相变终止温度Mf = -83~ -127℃。
经理论计算需要的终冷温度很低,本申请对生产中的实际马氏体转变的终止温度Mf进行了试验,试验结果如下表1所示:
表1 不同后冷处理温度下20Cr2Ni4A钢的表面硬度
Table 8 Surface hardness of the 20Cr2Ni4A steel under differentsubzero treatment temperature
从表1中试验结果可以看出,实际的后冷处理温度达到-60℃时,残余奥氏体已经不再进行转变,表面硬度也不再增加,比理论计算的-83~-127℃温度偏高。这主要是因为理论计算采用是全部的碳含量,而实际上,在经过整个渗碳淬火热处理后,不可避免的会有碳化物的析出,导致奥氏体组织内部的碳含量偏低,进而提高了马氏体转变的终止温度Mf。
故申请人结合实际生产情况,将20Cr2Ni4渗碳齿轮钢的冷处理温度确定为-40℃。
2、残余奥氏体稳定化试验
对于本领域技术人员来说,传统的研究对残余奥氏体稳定化的时间概念是模糊的:一种说法是室温下长时间放置(几个月甚至一年)仍然具有较多的残余奥氏体不能稳定,继续冷却仍能降低残余奥氏体的含量,提高工件表面硬度;另一种说法是在室温下放置几个小时后,残余奥氏体就能完全稳定化,继续冷却残余奥氏体不会减少,表面硬度也不会增加。
本申请对不同残余奥氏体的高Ni渗碳齿轮钢进行了残余奥氏体稳定化试验,试验结果如下表2所示:
表2 20Cr2Ni4残余奥氏体稳定化试验
由表2的试验结果可以看出,20Cr2Ni4渗碳齿轮钢的残余奥氏体在热处理后放置24h(1天),大部分残余奥氏体还未稳定化,此时进行后冷处理(-40℃冷处理2~3h),仍然能够降低残余奥氏体的含量,提高表面硬度,特别是针对残余奥氏体较多的效果更为明显(残余奥氏体等级从5降为3,表面硬度从55HRC增大到60HRC);当热处理后放置240h(10天),大部分残余奥氏体已经稳定化,然后再进行冷处理(-40℃冷处理2~3h),虽仍然能对残余奥氏体的转化起到一定的作用,但作用效果已经较弱,特别是对于残余奥氏体等级小于5的工件。
3、后热处理工艺中的回火温度试验
渗碳淬火后低温回火的目的是为了去除残余热应力和组织应力,防止工件开裂。传统的研究普遍认为低温回火温度越高,表面硬度越低,所以,低温回火温度普遍采用较低温度180℃。由于20Cr2Ni4渗碳齿轮钢热处理后表面残余奥氏体较多,本申请对热处理后提高温度进行二次回火进行了试验,试验结果如下表3所示:
表3 20Cr2Ni4二次回火温度试验
从表3的试验结果可以看出,20Cr2Ni4渗碳齿轮钢的残余奥氏体为5级以上时,采用提高二次回火温度的方式可以起到降低残余奥氏体,提高表面硬度的目的;当残余奥氏体等级为4级以下时,提高二次回火温度不仅不能提高表面硬度,反而降低了表面硬度。
分析原因:主要是因为随着回火温度的提高,一方面马氏体硬度逐步下降,另一方面部分残余奥氏体转变为马氏体或下贝氏体提高表面硬度,当残余奥氏体较少时前者起主导作用,当残余奥氏体较多时后者起主导作用。
Claims (5)
1.一种高Ni渗碳齿轮钢的后热处理工艺,其特征在于:将经过热处理工艺处理后表面残余奥氏体较多的零部件,按照残余奥氏体的等级,在170℃~190℃或230℃~270℃温度下回火处理14~16h。
2.根据权利要求1所述的高Ni渗碳齿轮钢的后热处理工艺,其特征在于:所述回火温度为180℃或260℃,回火时间为15h。
3.根据权利要求2所述的高Ni渗碳齿轮钢的后热处理工艺,其特征在于:
当零部件表面残余奥氏体>5级时,先将零部件在-40℃条件下冷处理2~3h,然后在180℃温度下回火处理15h。
4.根据权利要求2所述的高Ni渗碳齿轮钢的后热处理工艺,其特征在于:当零部件表面残余奥氏体>5级时,将零部件在260℃温度下回火处理15 h。
5.根据权利要求2所述的高Ni渗碳齿轮钢的后热处理工艺,其特征在于:当零部件表面残余奥氏体≤4级时,先将零部件在-40℃条件下冷处理2~3h,然后在180℃温度下回火处理15h。
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