27MnCr5鋼齒輪滲碳淬火回火后組織粗大的工藝改進(jìn)＊

李衛(wèi)民，左 彪

1.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電技術(shù)學(xué)院（江蘇泰州 225300）

2.江蘇飛船股份有限公司（江蘇泰州 225300）

1 引言

27MnCr5鋼齒輪經(jīng)過滲碳、淬火、低溫回火后的金相組織出現(xiàn)異?，F(xiàn)象：經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕后，有許多目視可見的粗亮黑點(diǎn)，黑點(diǎn)處齒輪組織晶粒非常粗大，大大降低了27MnCr5鋼齒輪的接觸疲勞和彎曲疲勞等力學(xué)性能指標(biāo)，縮短了齒輪的使用壽命，對(duì)27MnCr5鋼齒輪的使用性能和壽命影響都很大。筆者認(rèn)為應(yīng)該對(duì)這種現(xiàn)象加以重視，通過分析，找出原因，加以預(yù)防，并通過對(duì)27MnCr5鋼滲碳直淬齒輪生產(chǎn)工藝進(jìn)行工藝改進(jìn)來找出解決問題的方法[1]。

2 齒輪黑色區(qū)域的分布形態(tài)及其金相組織

27MnCr5鋼齒輪經(jīng)過滲碳、淬火、低溫回火后，常見黑點(diǎn)分布形態(tài)有3種，都伴隨著出現(xiàn)粗大的晶粒組織。

（1）少量黑色區(qū)域的形態(tài)分布及其內(nèi)部組織。

如圖1所示，27MnCr5鋼齒輪經(jīng)過滲碳、淬火、低溫回火后，出現(xiàn)少量黑色區(qū)域的齒輪表面組織細(xì)致，組織為細(xì)小的馬氏體M和細(xì)小的殘余奧氏體Ar，2級(jí)；但黑色區(qū)域組織出現(xiàn)異常，既有粗大的馬氏體M，而且有大量的塊狀、網(wǎng)狀鐵素體F組織[2]。

（2）中量黑色區(qū)域的形態(tài)分布及其內(nèi)部組織。

如圖2所示，27MnCr5鋼齒輪經(jīng)過滲碳、淬火、低溫回火后，出現(xiàn)中量黑色區(qū)域的齒輪表面組織為粗大高碳針狀馬氏體M；黑色區(qū)域的組織既有粗大低碳板條狀馬氏體M，而且有大量的塊狀、網(wǎng)狀鐵素體F組織[2]。

圖1 少量黑色區(qū)域的金相組織

圖2 中量黑色區(qū)域的金相組織

（3）大量黑色區(qū)域的形態(tài)分布及其內(nèi)部組織。

如圖3所示，27MnCr5鋼齒輪經(jīng)過滲碳、淬火、低溫回火后，出現(xiàn)大量黑色區(qū)域的齒輪表面組織為粗大的馬氏體+殘余奧氏體；黑色區(qū)域的組織既有粗大低碳板條狀馬氏體，而且有大塊狀鐵素體組織。

3 黑色區(qū)域的危害性

（1）這樣的黑色區(qū)域的出現(xiàn)對(duì)滲碳層的深度的檢測(cè)容易引起誤判，對(duì)有效硬化層的測(cè)定同樣影響很大[3]。

（2）無論是大量的黑色區(qū)域，還是少量的黑色區(qū)域，它們都有一個(gè)共同點(diǎn)：一旦有這種黑點(diǎn)現(xiàn)象出現(xiàn)，該處的金相組織（馬氏體和殘余奧氏體M+Ar、低碳馬氏體M等）都很粗大，而且還摻雜些其它異常組織包括大塊狀的鐵素體F或者沿晶界分布的鐵素體F。

這樣的粗大組織或者異常組織產(chǎn)生的組織應(yīng)力都很大，勢(shì)必造成齒輪應(yīng)力局部集中，在使用中容易造成輪齒崩斷。

（3）黑色區(qū)域這種粗大組織或者異常組織的存在會(huì)破壞金屬基體的連續(xù)性，勢(shì)必影響齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度、彎曲疲勞強(qiáng)度等齒輪的各項(xiàng)力學(xué)性能，造成齒輪早期崩裂、破損，嚴(yán)重影響齒輪的使用壽命。

圖3 大量黑色區(qū)域的金相組織

4 齒輪生產(chǎn)工藝改進(jìn)

（1）原材料的控制。

通過進(jìn)貨記錄檢查發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生黑色區(qū)域粗大組織或異常組織的原材料的帶狀組織嚴(yán)重，達(dá)到4級(jí)。帶狀組織是材料元素偏析的一種現(xiàn)象，為此，對(duì)原材料要嚴(yán)加控制，對(duì)元素偏析嚴(yán)重、奧氏體晶粒粗大的材料要杜絕流入生產(chǎn)，從源頭上斬?cái)噙@種黑色區(qū)域的產(chǎn)生。

（2）中間熱加工工序的控制。

27MnCr5鋼齒輪經(jīng)過滲碳、淬火、低溫回火后一旦出現(xiàn)黑色區(qū)域，該區(qū)域的金相組織必然粗大或者異常。為此，對(duì)引起齒輪組織粗大的生產(chǎn)環(huán)節(jié)要加以嚴(yán)格控制，比如鍛造、滲碳、淬火等環(huán)節(jié)，防止齒輪局部過熱、過燒等。

另外從齒輪流轉(zhuǎn)的各熱加工工序上確保齒輪的晶粒不長(zhǎng)大，使黑色區(qū)域產(chǎn)生的基礎(chǔ)消失。特別是對(duì)鍛造溫度的控制，溫度過高或過低都會(huì)對(duì)晶粒長(zhǎng)大產(chǎn)生不利影響，有必要對(duì)鍛造過程不定期進(jìn)行溫度監(jiān)控[4]。

（3）對(duì)已形成黑色區(qū)域的齒輪的修復(fù)工藝。

對(duì)生產(chǎn)中出現(xiàn)有黑色區(qū)域的齒輪，我們選取中量黑色區(qū)域齒輪和大量黑色區(qū)域齒輪做了相應(yīng)的修復(fù)工藝試驗(yàn)。

a.修復(fù)工藝一：對(duì)選取的中量黑色區(qū)域齒輪和大量黑色區(qū)域齒輪重新加熱淬火、低溫回火，淬火、低溫回火工藝曲線如圖4所示。

圖4 淬火低溫回火工藝

經(jīng)過重新淬火低溫回火修復(fù)工藝處理后，中量黑色區(qū)域齒輪和大量黑色區(qū)域齒輪金相組織如圖5和圖6所示。

其組織粗大的現(xiàn)象并沒有改觀，修復(fù)處理后表面馬氏體和殘余奧氏體仍然達(dá)到七級(jí)；心部組織仍很粗大，達(dá)不到改進(jìn)的效果。

b.修復(fù)工藝二：對(duì)選取的大量黑色區(qū)域齒輪先進(jìn)行球化退火，球化退火工藝曲線如圖7所示，再重新加熱淬火、低溫回火。淬火、低溫回火工藝曲線如圖8所示。

圖5 中量黑色區(qū)域齒輪金相組織

圖6 大量黑色區(qū)域齒輪金相組織Z

有大量黑色區(qū)域的齒輪，雖經(jīng)過球化退火，但其加熱溫度在780℃左右，在此溫度下，材料不能完全奧氏體化，內(nèi)部組織改善不大，經(jīng)過該修復(fù)處理后表面和心部組織如圖9所示，仍然很粗大，達(dá)6級(jí)，達(dá)不到改進(jìn)的效果。

圖7 球化退火工藝

圖8 淬火低溫回火工藝

圖9 球化退火淬火低溫后金相組織

c.修復(fù)工藝三：對(duì)選取的大量黑色區(qū)域齒輪先進(jìn)行等溫正火，等溫正火工藝曲線如圖10所示，再重新加熱淬火、低溫回火。淬火、低溫回火工藝曲線如圖8所示。

圖10 等溫正火工藝

有大量黑色區(qū)域的齒輪，經(jīng)過等溫正火后再淬火低溫回火，齒輪表面和心部金相組織均勻細(xì)小，如圖11所示，經(jīng)檢驗(yàn)，黑點(diǎn)區(qū)域消除，金相組織合格。這主要是由于等溫正火能保證齒輪材料完全奧氏體化，齒輪內(nèi)外都處于同一溫度下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，能獲得均勻的組織和性能，起到細(xì)化晶粒、消除組織缺陷等作用[3]。

圖11 球化退火淬火低溫后金相組織

5 結(jié)論

（1）對(duì)27MnCr5鋼原材料要嚴(yán)加控制，對(duì)元素偏析嚴(yán)重、奧氏體晶粒粗大的27MnCr5鋼原材料要杜絕流入生產(chǎn)，從源頭上斬?cái)噙@種黑色區(qū)域的產(chǎn)生。

（2）對(duì)引起27MnCr5鋼齒輪組織粗大的中間生產(chǎn)環(huán)節(jié)要加以嚴(yán)格控制，比如鍛造、滲碳、淬火等環(huán)節(jié)，防止齒輪局部過熱、過燒等。另外從齒輪流轉(zhuǎn)的各熱加工工序上特別是對(duì)鍛造溫度的控制，溫度過高或過低都會(huì)對(duì)晶粒長(zhǎng)大產(chǎn)生不利影響，有必要對(duì)鍛造過程不定期進(jìn)行溫度監(jiān)控。

（3）對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)黑色區(qū)域的27MnCr5鋼齒輪，在機(jī)加工和滲碳淬火低溫回火之前加一道等溫正火工藝，并進(jìn)行相應(yīng)的工藝試驗(yàn)，方可投產(chǎn)。