熱處理工藝對17CrNiMo6齒輪鋼帶狀組織的影響

景春明

(蘭州蘭石集團有限公司,甘肅 蘭州 730314)

隨著航空航天、機械設(shè)備、汽車制造等各個領(lǐng)域的不斷發(fā)展,對動力傳遞系統(tǒng)齒輪的要求不斷提高,應(yīng)用于減速齒輪、傳動齒輪及高速齒輪的齒輪鋼已逐步向重載、承受循環(huán)應(yīng)力和較大沖擊力的工作方向轉(zhuǎn)變[1],高質(zhì)量、高性能的齒輪鋼已成為目前重點的研究和發(fā)展方向之一。17CrNiMo6齒輪鋼中合金元素較多,經(jīng)冶煉、鍛造[2]及熱處理[3-4]后易造成合金元素偏析,產(chǎn)生帶狀組織[5],從而造成鋼的各向異性及橫向性能降低。本文通過控制鍛造[6]加熱和熱處理工藝[7],對典型17CrNiMo6齒輪鋼帶狀組織的產(chǎn)生[8]、消除及性能的影響進行了研究,順利完成客戶需要的齒輪產(chǎn)品的生產(chǎn)制造。

1 產(chǎn)品試制

1.1 冶煉鍛造

采用30t EAF-LF-VD的工藝路線冶煉澆注3支13T純凈度、致密性及均勻性高的17CrNiMo6鋼錠,化學(xué)成分控制范圍見表1。加工流程為:加熱至1200 ℃→倒棱滾圓至φ880 mm→墊圈帶冒口鐓粗至1200 mm高→拔長倒圓至φ880 mm→鐓粗至1200 mm高→拔長至φ350 mm→切冒口→坑冷,在5000 T壓機上開坯。

表1 17CrNiMo6鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù),%)Table 1 Chemical composition of 17CrNiMo6 steel(mass fraction,%)

在1000 T壓機和碾環(huán)機上鍛造毛坯重量為493 kg的大傘齒輪25件,鍛比不小于3。φ350 mm×653 mm的坯料加熱至1200 ℃,在1000 T壓機上鐓粗至430 mm高,拔長至φ350 mm,二次鐓粗至180 mm高,用φ210 mm沖頭沖孔,進行馬架擴孔至內(nèi)徑大于φ300 mm,終鍛溫度控制在850 ℃,二次加熱,上碾環(huán)機成形。圖1為17CrNiMo6大傘齒輪最終成形產(chǎn)品尺寸。

圖1 大傘齒輪尺寸圖Fig.1 Dimensional drawing of large bevel gear

1.2 熱處理、組織及力學(xué)性能評定方法

17CrNiMo6大傘齒輪鍛件以小于120 ℃/h的加熱速度升溫,進行“880 ℃×4 h,空冷”正火+“680 ℃×5 h,空冷”回火預(yù)備熱處理及“840 ℃×2 h,油冷”淬火+“200 ℃×2 h,空冷”回火最終熱處理[9]。

在鍛件本體截取φ30 mm×30 mm試樣,按標準GB/T 13299進行金相評定,要求組織均勻,無成分偏析或組織偏析,允許有均勻貝氏體,不允許有魏氏組織,晶粒度級別應(yīng)達到6級或更細,切向、橫向帶狀組織均≤2級。

在鍛件本體截取機械性能試樣,熱處理后切取樣坯直接制成標準沖擊試樣和拉伸試樣,沖擊試樣尺寸為 55 mm×10 mm×10 mm,拉伸試樣d為10～16 mm,力學(xué)性能試驗方法參照標準GB/T 3077。對于圓盤和圓環(huán)鍛件,硬度檢測應(yīng)在端面至少測定3處,兩處相隔120°。

2 結(jié)果及分析

2.1 帶狀組織

熱處理后17CrNiMo6齒輪鋼的金相組織如圖2所示,帶狀組織分布嚴重,切向、橫向帶狀組織均為5級,遠高于≤2級的要求。17CrNiMo6齒輪鋼含有Cr、Ni、Mo、Mn、Si等合金元素,合金元素在奧氏體溫度下擴散系數(shù)遠小于C元素,容易產(chǎn)生合金元素偏析。鍛造過程中,晶粒沿切向被拉長,并逐漸趨于一致,形成合金元素富集帶和貧化帶的交替堆疊。熱處理過程中,合金元素貧化帶先形成以鐵素體為主的淺色帶,合金元素富集帶則形成以珠光體為主的深色帶,最終形成彼此交替的帶狀組織[10]。

(a)橫向;(b)切向圖2 熱處理后齒輪鋼帶狀組織(a)transverse;(b)tangentialFig.2 Banded structure of gear steel after heat treatment

2.2 力學(xué)性能

帶狀組織的存在會使17CrNiMo6齒輪鋼的力學(xué)性能產(chǎn)生各向異性,17CrNiMo6齒輪鋼的力學(xué)性能檢測結(jié)果如表2所示。可以看出,其切向力學(xué)性能均達到要求;但橫向力學(xué)性能則明顯降低,屈服強度和抗拉強度略低于要求值,斷后伸長率和斷面收縮率略大于要求值,沖擊功和布氏硬度均低于要求值。其力學(xué)性能處于臨界值附近極易造成產(chǎn)品廢品率升高、產(chǎn)生熱處理變形和開裂等缺陷。

表2 17CrNiMo6齒輪鋼的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of 17CrNiMo6 gear steel

2.3 工藝改進

要消除17CrNiMo6大傘齒輪產(chǎn)品中存在的帶狀組織,需控制鍛造和熱處理過程中的偏析,促進其合金元素均勻分布。鍛造加熱過程中適當(dāng)延長保溫時間2～4 h,進行高溫擴散,使鍛件毛坯中的各元素擴散均勻。正火工藝采用較高的加熱溫度,保證足夠的保溫時間,以得到成分均勻的奧氏體,在鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變溫度開始時保溫,完成鐵素體和珠光體的均勻轉(zhuǎn)變;再提高冷卻速度,抑制先共析鐵素體的析出。

將17CrNiMo6大傘齒輪鍛件毛坯加熱至950 ℃保溫2 h,再升溫至1200 ℃始鍛溫度。正火時加熱速度小于100 ℃/h,加熱至650 ℃保溫2 h,再加熱到900 ℃保溫6 h,爐冷至650 ℃保溫2 h后空冷;然后進行680 ℃回火保溫5 h;最終調(diào)質(zhì)熱處理仍為840 ℃淬火保溫2 h,油冷,200 ℃回火保溫2 h,空冷。17CrNiMo6齒輪鋼珠光體轉(zhuǎn)變開始溫度為650 ℃,正火時通過控制加熱和冷卻過程中的溫度和保溫時間,抑制帶狀組織產(chǎn)生。正火升溫過程中,在650 ℃保溫使鍛件各部位溫度均勻化;正火降溫過程中,在650 ℃保溫使奧氏體完全分解,均勻完成鐵素體+珠光體的轉(zhuǎn)變,出爐空冷防止出現(xiàn)脆性,導(dǎo)致韌性降低。

工藝改進后17CrNiMo6齒輪鋼的金相組織如圖3所示,帶狀組織完全消除,切向和橫向帶狀組織均為0級。鍛件毛坯加熱過程中的高溫擴散和預(yù)備熱處理中的高溫正火增加了原子的擴散能力,減輕了17CrNiMo6齒輪鋼中合金元素的偏析,以合適的升溫速度以及足夠的保溫時間滿足擴散動力學(xué)條件,促使合金成分更均勻,抑制鐵素體/珠光體帶狀組織,促使其化學(xué)成分和組織均勻化。

(a)橫向;(b)切向圖3 工藝改進后齒輪鋼的金相組織(a)transverse;(b)tangentialFig.3 Microstructure of gear steel after process improvement

在同一批次的17CrNiMo6大傘齒輪鍛件中選取一件鍛件本體,加工制作成力學(xué)性能檢測試樣,工藝改進后17CrNiMo6齒輪鋼的力學(xué)性能檢測結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明17CrNiMo6齒輪鋼的各項力學(xué)性能均達到要求,尤其是塑韌性有大幅提升,這將有效保障同批次產(chǎn)品的合格率。

表3 工藝改進后17CrNiMo6齒輪鋼的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of 17CrNiMo6 gear steel after process improvement

3 結(jié)論

1)17CrNiMo6齒輪鋼因其本身的材質(zhì)特性,易出現(xiàn)帶狀組織,影響產(chǎn)品性能和合格率。通過鍛造毛坯加熱過程中進行950 ℃高溫擴散、預(yù)備熱處理采用900 ℃高溫正火,可有效消除17CrNiMo6鍛件產(chǎn)品在鍛造和熱處理過程中產(chǎn)生的二次帶狀組織。

2)經(jīng)工藝實踐,17CrNiMo6齒輪鋼的最佳熱處理工藝為“900 ℃×6 h,空冷”正火+“680 ℃×5 h,空冷”回火預(yù)備熱處理和“840 ℃×2 h,油冷”淬火+“200 ℃×2 h,空冷”回火最終熱處理,升溫速率控制在100 ℃/h以內(nèi),且在正火升溫和降溫至珠光體轉(zhuǎn)變開始溫度650 ℃保溫2 h。