热处理工艺对17CrNiMo6齿轮钢带状组织的影响

景春明

(兰州兰石集团有限公司,甘肃 兰州 730314)

随着航空航天、机械设备、汽车制造等各个领域的不断发展,对动力传递系统齿轮的要求不断提高,应用于减速齿轮、传动齿轮及高速齿轮的齿轮钢已逐步向重载、承受循环应力和较大冲击力的工作方向转变[1],高质量、高性能的齿轮钢已成为目前重点的研究和发展方向之一。17CrNiMo6齿轮钢中合金元素较多,经冶炼、锻造[2]及热处理[3-4]后易造成合金元素偏析,产生带状组织[5],从而造成钢的各向异性及横向性能降低。本文通过控制锻造[6]加热和热处理工艺[7],对典型17CrNiMo6齿轮钢带状组织的产生[8]、消除及性能的影响进行了研究,顺利完成客户需要的齿轮产品的生产制造。

1 产品试制

1.1 冶炼锻造

采用30t EAF-LF-VD的工艺路线冶炼浇注3支13T纯净度、致密性及均匀性高的17CrNiMo6钢锭,化学成分控制范围见表1。加工流程为:加热至1200 ℃→倒棱滚圆至φ880 mm→垫圈带冒口镦粗至1200 mm高→拔长倒圆至φ880 mm→镦粗至1200 mm高→拔长至φ350 mm→切冒口→坑冷,在5000 T压机上开坯。

表1 17CrNiMo6钢的化学成分(质量分数,%)Table 1 Chemical composition of 17CrNiMo6 steel(mass fraction,%)

在1000 T压机和碾环机上锻造毛坯重量为493 kg的大伞齿轮25件,锻比不小于3。φ350 mm×653 mm的坯料加热至1200 ℃,在1000 T压机上镦粗至430 mm高,拔长至φ350 mm,二次镦粗至180 mm高,用φ210 mm冲头冲孔,进行马架扩孔至内径大于φ300 mm,终锻温度控制在850 ℃,二次加热,上碾环机成形。图1为17CrNiMo6大伞齿轮最终成形产品尺寸。

图1 大伞齿轮尺寸图Fig.1 Dimensional drawing of large bevel gear

1.2 热处理、组织及力学性能评定方法

17CrNiMo6大伞齿轮锻件以小于120 ℃/h的加热速度升温,进行“880 ℃×4 h,空冷”正火+“680 ℃×5 h,空冷”回火预备热处理及“840 ℃×2 h,油冷”淬火+“200 ℃×2 h,空冷”回火最终热处理[9]。

在锻件本体截取φ30 mm×30 mm试样,按标准GB/T 13299进行金相评定,要求组织均匀,无成分偏析或组织偏析,允许有均匀贝氏体,不允许有魏氏组织,晶粒度级别应达到6级或更细,切向、横向带状组织均≤2级。

在锻件本体截取机械性能试样,热处理后切取样坯直接制成标准冲击试样和拉伸试样,冲击试样尺寸为 55 mm×10 mm×10 mm,拉伸试样d为10～16 mm,力学性能试验方法参照标准GB/T 3077。对于圆盘和圆环锻件,硬度检测应在端面至少测定3处,两处相隔120°。

2 结果及分析

2.1 带状组织

热处理后17CrNiMo6齿轮钢的金相组织如图2所示,带状组织分布严重,切向、横向带状组织均为5级,远高于≤2级的要求。17CrNiMo6齿轮钢含有Cr、Ni、Mo、Mn、Si等合金元素,合金元素在奥氏体温度下扩散系数远小于C元素,容易产生合金元素偏析。锻造过程中,晶粒沿切向被拉长,并逐渐趋于一致,形成合金元素富集带和贫化带的交替堆叠。热处理过程中,合金元素贫化带先形成以铁素体为主的浅色带,合金元素富集带则形成以珠光体为主的深色带,最终形成彼此交替的带状组织[10]。

(a)横向;(b)切向图2 热处理后齿轮钢带状组织(a)transverse;(b)tangentialFig.2 Banded structure of gear steel after heat treatment

2.2 力学性能

带状组织的存在会使17CrNiMo6齿轮钢的力学性能产生各向异性,17CrNiMo6齿轮钢的力学性能检测结果如表2所示。可以看出,其切向力学性能均达到要求;但横向力学性能则明显降低,屈服强度和抗拉强度略低于要求值,断后伸长率和断面收缩率略大于要求值,冲击功和布氏硬度均低于要求值。其力学性能处于临界值附近极易造成产品废品率升高、产生热处理变形和开裂等缺陷。

表2 17CrNiMo6齿轮钢的力学性能Table 2 Mechanical properties of 17CrNiMo6 gear steel

2.3 工艺改进

要消除17CrNiMo6大伞齿轮产品中存在的带状组织,需控制锻造和热处理过程中的偏析,促进其合金元素均匀分布。锻造加热过程中适当延长保温时间2～4 h,进行高温扩散,使锻件毛坯中的各元素扩散均匀。正火工艺采用较高的加热温度,保证足够的保温时间,以得到成分均匀的奥氏体,在铁素体和珠光体转变温度开始时保温,完成铁素体和珠光体的均匀转变;再提高冷却速度,抑制先共析铁素体的析出。

将17CrNiMo6大伞齿轮锻件毛坯加热至950 ℃保温2 h,再升温至1200 ℃始锻温度。正火时加热速度小于100 ℃/h,加热至650 ℃保温2 h,再加热到900 ℃保温6 h,炉冷至650 ℃保温2 h后空冷;然后进行680 ℃回火保温5 h;最终调质热处理仍为840 ℃淬火保温2 h,油冷,200 ℃回火保温2 h,空冷。17CrNiMo6齿轮钢珠光体转变开始温度为650 ℃,正火时通过控制加热和冷却过程中的温度和保温时间,抑制带状组织产生。正火升温过程中,在650 ℃保温使锻件各部位温度均匀化;正火降温过程中,在650 ℃保温使奥氏体完全分解,均匀完成铁素体+珠光体的转变,出炉空冷防止出现脆性,导致韧性降低。

工艺改进后17CrNiMo6齿轮钢的金相组织如图3所示,带状组织完全消除,切向和横向带状组织均为0级。锻件毛坯加热过程中的高温扩散和预备热处理中的高温正火增加了原子的扩散能力,减轻了17CrNiMo6齿轮钢中合金元素的偏析,以合适的升温速度以及足够的保温时间满足扩散动力学条件,促使合金成分更均匀,抑制铁素体/珠光体带状组织,促使其化学成分和组织均匀化。

(a)横向;(b)切向图3 工艺改进后齿轮钢的金相组织(a)transverse;(b)tangentialFig.3 Microstructure of gear steel after process improvement

在同一批次的17CrNiMo6大伞齿轮锻件中选取一件锻件本体,加工制作成力学性能检测试样,工艺改进后17CrNiMo6齿轮钢的力学性能检测结果如表3所示。结果表明17CrNiMo6齿轮钢的各项力学性能均达到要求,尤其是塑韧性有大幅提升,这将有效保障同批次产品的合格率。

表3 工艺改进后17CrNiMo6齿轮钢的力学性能Table 3 Mechanical properties of 17CrNiMo6 gear steel after process improvement

3 结论

1)17CrNiMo6齿轮钢因其本身的材质特性,易出现带状组织,影响产品性能和合格率。通过锻造毛坯加热过程中进行950 ℃高温扩散、预备热处理采用900 ℃高温正火,可有效消除17CrNiMo6锻件产品在锻造和热处理过程中产生的二次带状组织。

2)经工艺实践,17CrNiMo6齿轮钢的最佳热处理工艺为“900 ℃×6 h,空冷”正火+“680 ℃×5 h,空冷”回火预备热处理和“840 ℃×2 h,油冷”淬火+“200 ℃×2 h,空冷”回火最终热处理,升温速率控制在100 ℃/h以内,且在正火升温和降温至珠光体转变开始温度650 ℃保温2 h。