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齒輪用22CrNi2MoNbH鋼的滲碳工藝
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2015-06-17
通過測試分析，選擇使用保證淬透性脫氣22CrNi2MoNbH，并確定了滲碳、淬火熱處理工藝，從而達到圖樣各項設計指標要求。滲碳齒輪用鋼：20CrMoH 22CrNi2MoNbH 20CrNi2MoA 20CrNi2MoH SNCM420H-K
????? 大馬力推土機終傳動齒輪承受重載荷，要求高的接觸疲勞強度和齒根彎曲強度。通過測試分析，選擇使用保證淬透性脫氣22CrNi2MoNbH，并確定了滲碳、淬火熱處理工藝，從而達到圖樣各項設計指標要求。
美國卡特D6D、D7G?履帶式推土機在一般工況條件下的設計壽命為10?000?h，該公司生產D9H?推土機設計使用壽命25?000?h，具有高的性價比。主要件、關鍵件(變速箱、終傳動)?的使用壽命也應達到或超過整機的設計壽命。開發新產品所使用齒輪大部分采用滲碳淬火熱處理來達到提高壽命。齒輪壽命主要取決于原材料冶金質量、熱處理工藝及達到結果、齒輪加工精度。
大馬力推土機終傳動的齒輪要求傳動重載荷，受空間影響，齒輪的尺寸小，模數大。設計要求小齒輪軸(模數12?mm、齒數12、分度圓直徑144?mm、齒寬124?mm)?表面硬度60?～?64?HRC、硬化層深度2.2?～2.8?mm、齒根硬化層深度1.5?mm?以上、心部硬度269?～?388?HB，原先使用20CrMoH?鋼，經滲碳淬火后，心部硬度低，達不到設計要求。通過查找資料分析、研究，認為確定使用22CrNi2MoNbH?鋼進行試制。
1、成分及淬透性測試與分析
齒輪的抗彎曲疲勞能力、抗接觸疲勞能力、齒輪的嚙合精度三大要素，決定了齒輪的壽命。根據GB?/T?5216—2004《保證淬透性結構鋼》要求，國內載重齒輪選用20CrNi2MoA、20CrNi2MoH?鋼材，對于載重齒輪為了提高心部硬度，要提高齒輪材料的碳含量，一般控制碳含量在0.20%?～?0.25%?(質量分數，下同)?，比20CrNi2MoH?鋼的0.17%?～?0.23%?稍高。而含碳量過高，使得齒輪滲碳淬火畸變大。Ni、Mo?合金元素具有很強的抗氧化能力，Cr?元素次之，Mn?元素抗氧化能力弱，Si?元素最弱。如果滲碳爐中氧勢比較高，在高溫滲碳過程中，氧原子通過晶界擴散到齒輪表面，將使易氧化的合金元素變成氧化物，喪失合金化能力，降低滲碳層的淬透性；齒輪淬火后表面非馬氏體組織超標，接觸疲勞強度降低，因此在齒輪鋼中提高抗氧化的Ni、Mo?合金元素含量。
在鋼中加入微合金元素Nb，Nb?能與N、C?結合，形成氮化物、碳化物，可顯著提高再結晶溫度，阻止奧氏體晶粒的長大，從而細化晶粒，改善材料的性能。鋼材通過脫氣處理，使得非金屬夾雜物的尺寸減小，級別提高，能夠顯著提高齒輪接觸疲勞強度。鋼材達到淬透性帶的寬窄、大小影響齒輪的熱處理畸變以及齒輪的心部硬度，淬透性帶要比標準要求范圍小得多，這主要是鋼材的冶煉質量提高，化學成分控制嚴格，波動小的結果。考慮齒輪在滲碳及淬火過程中的畸變，20CrMoH、22CrNi2MoNbH?鋼按美國C?型缺口式樣經滲碳、淬火后，測得的平均畸變率d分別為3.89%、2.54%。對于模數是12?mm?的齒輪，通常淬透性值以J9?的大小最為關鍵，J9?=?30?～42?HRC比較合適，當J9?>?42?HRC?時，材料在滲碳淬火后，不僅畸變量大，而且在使用過程中易產生脆性斷裂。淬透性帶越窄越好，便于降低熱處理畸變。參考日本小松公司使用SNCM420H-K?鋼材，并與撫順特鋼公司確定為22CrNi2MoNbH?鋼，通過電爐冶煉并進行爐外脫氣精煉，。
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2、熱處理工藝參數確定
2.1、齒輪的工序流程
鍛造毛坯—毛坯等溫退火—初精加工齒輪—齒輪滲碳—高溫回火—齒輪加工(螺紋)?—齒輪淬火—齒輪低溫回火—精磨齒輪。
2.2、熱處理工藝
文獻對含Nb?的20CrNi2Mo?鋼分別進行880、900、920、940、960?℃溫度下保溫1?h?后淬水，之后測奧氏體晶粒度，在920?℃?之前晶粒度無變化，940?及960?℃晶粒有長大，在920?℃保溫10?h?后晶粒沒有發生明顯的長大，晶粒度為8?～?9?級。
2.3、試驗結果
毛坯經等溫退火后的硬度為156?～?207?HB，齒坯具有良好的切削加工性能，能夠減少刀具的磨損，延長刀具的壽命。還有穩定滲碳淬火時的畸變。齒輪滲碳及淬火在易普森多用爐中進行的。經長時間滲碳后，要求達到滲碳深度2.4?～?3.0?mm，用維氏硬度計進行檢測，達到2.6?mm，按550?HV?處的碳濃度w(C)?=?0.4%，測得表面碳濃度。
3、結論
1)?22CrNi2MoH?鋼的化學成分、淬透性、夾雜物及晶粒度等指標滿足大型重載齒輪的設計要求，其制作齒輪各項內在質量指標達到重載齒輪的質量要求。
2)?22CrNi2MoH?鋼經920?℃?×30?h?滲碳，在840?℃淬火、180?℃低溫回火后，晶粒度沒有異常長大，其工藝是可行的。
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