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2 滲碳處理工藝
2.1 鋼的化學成分
20CrMnTi的含碳量為0.20％屬于低碳鋼,滲碳時保證了碳元素的正常滲入。淬火熱處理后心部獲得低碳馬氏體, 以保證心部具有足夠的塑性和韌性,抵抗沖擊載荷。鋼中合金元素為Cr<1.5％、Mn<1.5％、Ti<1.5％。Cr、Mn合金元素能提高鋼鐵索體的強度,同時提高鋼的淬透性。Ti元素能阻止鋼的奧氏體晶粒的長大, 提高鋼的回火穩定性。20CrMnTi齒輪根據使用性能要求表面耐磨,心部又要求有良好的強韌性,所以要對20CrMnTi鋼進行表面滲碳處理,滲碳淬火后表面得到高碳馬氏體, 具有較高的硬度和耐磨性。
2.2 滲碳工藝
滲碳淬火工藝過程中, 要防止齒輪變形, 要嚴格控制滲碳齒輪的表面碳濃度和滲層深度。因它們會對滲層組織的膨脹系數產生影響, 滲碳后若表面形成不良碳化物分布, 將增加齒形、齒向及花鍵孔的變形,因此必須控制滲碳時的碳勢,以防止表面碳濃度過高和碳量不均勻。滲碳層深度越厚,也將使畸變加大。表面含碳量影響滲碳淬火齒輪的淬透性, 而材料的淬透性對組織、性能、畸變有直接的影響[5]。因此應使滲碳層深度及其表面含碳量控制在合理適宜的范圍內。
齒輪滲碳的方法較多,常用氣體滲碳,目前應用電解質氣相離子(ECA)催滲技術控制滲碳變形也取得較好效果[6]。現以可控井式爐中氣體滲碳為例優化工藝, 滴入煤油、苯、甲醇等滲碳劑, 加熱溫度從一般采用的930℃改為900℃[3]。這些介質在高溫下分解,產生活性碳原子,主要化學分解式如下：
2CO→[C]+CO2
CH4→2H2+[C]
活性碳原子溶入鋼表面奧氏體中, 并向內部擴散,最后形成一定深度的滲碳層。一般滲碳層深度取決于保溫時間, 可按每小時滲入0.2mm～0.25mm的速度估算。滲碳時要控制滲碳的時間、活性碳的濃度,使表面的含碳量控制在0.80 %～1.0 %范圍內[4],并從表面到心部逐漸減小,心部仍保持原來低碳鋼的含碳量。滲碳的溫度越高,時間越長, 奧氏體晶粒越大, 齒輪的畸變越大,把加熱溫度控制900℃左右,目的是控制奧氏體晶粒長大,獲得細小的奧氏體晶粒,淬火后獲得細小的馬氏體組織。由于滲碳只改變工件表面的含碳量, 要使滲碳齒輪表面具有高的硬度、高的耐磨性和心部良好韌性滲碳后必須進行熱處理。常用的是淬火后低溫回火。
3 淬火低溫回火
3.1 淬火
鋼的加熱溫度一般可根據Fe-Fe3C相圖選擇,亞共析鋼淬火加熱溫度選擇Ac3以上30℃～50℃,過共析鋼淬火加熱溫度選擇Ac1以上30℃～50℃。根據滲碳后齒輪的表層含碳量的分布狀況及實踐經驗從900℃預冷到820℃左右進行油冷[3]可以得到好的效果。加熱溫度過高或保溫時間過長,會引起奧氏體的晶粒粗大引起過熱或晶界氧化并部分熔化的過燒現象。過熱時奧氏體的晶粒粗大不僅降低齒輪力學性能, 也容易引起齒輪的變形和開裂。過燒后的工件只能報廢。加熱溫度過低、保溫時間不足會引起硬度不足。故可選擇900℃溫度滲碳,預冷8 2 0℃ 左右油冷淬火。淬火冷卻速度太快,奧氏體向馬氏體組織轉變劇烈、體積收縮,引起很大的內應力,容易造成齒輪的變形和開裂,由于20CrMnTi是合金鋼,淬透性較好,故選擇油冷減小冷卻速度,防止淬火造成齒輪變形或開裂。同時也能獲得馬氏體組織,達到較高的硬度。淬火后的鋼組織是馬氏體及少量殘余奧氏體,它們都是不穩定的組織,有向穩定組織轉變的趨勢,同時淬火時產生內應力。為了減小或消除淬火內應力, 穩定組織和尺寸,獲得所需的力學性能,實踐證明重載齒輪選擇在200℃進行4小時低溫回火[3]工藝較好。低溫回火時馬氏體中過飽和碳原子以碳化物的形式逐步析出, 馬氏體晶格畸變程度減弱,內應力有所降低。此時的回火組織由馬氏體和碳化物組成, 稱為回火馬氏體。雖然馬氏體的分解使α-Fe中碳的過飽和程度降低,鋼的硬度相應下降,但析出的碳化物又對基體起強化作用, 部分的殘余奧氏體分解為回火馬氏體, 所以鋼仍保持很高的硬度和耐磨性和一定的韌性。
4 結語
生產實踐證明20CrMnTi滲碳鋼齒輪進行熱處理工藝優化,可獲得良好的力學性能, 不易造成熱處理變形開裂和齒輪磨削
裂紋,取得良好的經濟效果。
參考文獻
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[2] 張亞明,石洪民.20CrMnTi滲碳鋼預備熱處理后加工困難的原因及改進措施[J].煤炭技術,2003(5).
[3] 王秀芹.如何止滲碳淬火齒輪磨削裂紋的產生[J].煤礦機械,2005(8).
[4] 趙金安.滲碳淬火齒輪磨削裂紋的防止[J].機械傳動,2003(4).
[5] 顧敏.材料和熱處理工藝對滲碳淬火齒輪畸變的影響[J].機械工人,2007(10).
[6] 張希平, 王安五. 輕型車后橋圓錐齒輪滲碳淬火變形的控制[J].熱加工工藝,2001(4).
①作者簡介:劉翔(1967—),女,漢族,江蘇阜寧人,學士,江蘇省鹽城技師學院高級講師,從事機械專業理論教學與教研。
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