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重载齿轮热处理及应用(一)
重载齿轮是指传递功率大、承载大、低速、受冲击载荷大的齿轮,技术要求其具有优良的耐磨性能、较高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度等,同时具有较高的抗冲击和承载能力,所以需要对其进行强化热处理,以提高综合力学性能及使用寿命。
发布日期:2020 - 05 - 26 08:17:35

重载齿轮是指传递功率大、承载大、低速、受冲击载荷大的齿轮,技术要求其具有优良的耐磨性能、较高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度等,同时具有较高的抗冲击和承载能力,所以需要对其进行强化热处理,以提高综合力学性能及使用寿命。重载齿轮常用的强化热处理工艺有渗碳淬火、渗氮以及感应淬火等。本文综述了重载齿轮上述3种热处理技术的应用情况及进展,并提出重载齿轮真空低压渗碳的应用前景。

重载齿轮主要指为矿山、冶金、建材、石油、化工、电站、起重运输、矿用汽车、列车、风电、航天、军用装备等主机配套和通用减速器中的传动件,其应用范围广,遍及国民经济多个部门。重载齿轮的主要特点是传递功率大、摩擦力大、速度低、冲击力大,工作条件恶劣,安全性要求高。使用时要求具有优良的耐磨性能,较高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度,同时具有较高的抗冲击和抗过载能力。

我国重载齿轮在20世纪60年代多为软齿面齿轮,材料为45钢、55钢和 40Cr钢,采用正火、调质或火焰淬火等工艺进行热处理,工艺不稳定,质量无法保证,齿轮寿命很短。70年代后,采用了淬透性较高的37SiMn2Mo钢,利用感应加热表面淬火工艺,提高了齿面硬度和使用寿命。改革开放后,随着装备制造业的高速发展,开发出多种制造重载齿轮的材料,但由于设计、制造等一系列问题造成工艺质量的重复性和再现性差,国内重要部位的重载齿轮仍然依赖进口,而国产齿轮对外出口因产品质量不稳定而不被认可,因此对重载齿轮的热处理研究异常紧迫。一般情况下常用重载齿轮材料为低碳合金结构钢,其热处理需根据具体的工况条件要求进行设计,需要经过渗碳(或渗氮)淬火回火后使用。 

本文综述了重载齿轮常用材料、三大热处理硬化技术应用及出现的问题,并指出了重载齿轮热处理未来的发展方向。

重载齿轮渗碳淬火热处理

渗碳重载齿轮材料按承载能力可分为:一般承载能力用渗碳钢(材料牌号为:20CrMnTi、20CrMnMo、20CrNiMo、12CrNi2 和 12CrNi3等)和高承载能力用渗碳钢(材料牌号为:12Cr2Ni4、20Ni4Mo、20Cr2Ni4和 17Cr2Ni2Mo、18Cr2Ni4W、20CrNi2Mo等) 。

按淬透性可分为:中淬透性渗碳钢(油淬临界直径20~50mm,材料牌号为:20CrMnTi、20CrMnMo、20CrNiMo、12CrNi2、12CrNi3、12Cr2Ni4、20CrNi2Mo和 17Cr2Ni2Mo等) 和高淬透性渗碳钢( 油淬临界直径50~100mm,材料牌号为20Ni4Mo、20Cr2Ni4和18Cr2Ni4W等) 。 

重载齿轮的渗碳淬火热处理工艺包括: 预备热处理、渗碳淬火 + 回火和喷丸强化等过程。通常技术要求表面硬度、心部硬度、硬化层深度、表面含碳量、显微组织和畸变等。 

20世纪80至90年代,仲复欣,张耀莉等就重载齿轮的主要破损形式即脆性断齿、疲劳断齿以及齿面的疲劳点蚀、剥落、齿面塑性变形、磨损、擦伤、胶合等问题,讨论如何用更好的热处理工艺来提高齿轮的承载能力,防止齿面剥落,提高重载齿轮的寿命。根据理论计算,认为齿轮的模数越大,齿面曲率半径也越大,剪切应力分布也越深。因此,当最大剪切应力与剪切强度之比不大于0.55,即材料的剪切强度>1.82剪切应力时,齿轮表层才不会被压碎。因此,为了防止表面剥落,从齿表面到心部任何一层,均应满足这个要求。所以,大模数重载齿轮渗碳必须有足够的层深,一般渗碳层深度应大于4mm。 

渗碳层深度和渗碳扩散时间的关系常用如下公式计算: 

齿轮热处理

式中: δ 为渗碳层深度,mm; τ 为渗碳扩散时间,h; K 为系数。 

利用此公式设计,为20CrNiMo钢人字形齿轮轴进行了渗碳。该报道中对此工艺提出了许多不足之处。首先齿轮轴渗碳淬火回火后,变形在齿长范围内不一致,齿长方向两端外圆略有胀大,而中段外圆缩小,整个齿轴齿轮呈鼓形。齿轮直径越大,齿长越长,这种现象越严重。400mm齿轴,中段外圆收缩0.3mm,600mm齿轮中段外圆收缩0.6 mm,斜齿轮的螺旋角也随之向增大方向变形。其次大型齿轮的渗碳淬火畸变规律是外圆胀大,椭圆较小,上下呈锥度。比较难解决的是锥度问题,上面较下面胀大严重,这种畸变的不均匀性,使螺旋角不规则变化,导致齿面切削后渗层和硬化层深浅不均,特别是齿面的残余应力分布不均匀,影响齿轮制造精度和承载能力。这种由畸变带来的隐患亟待解决。而且深层渗碳带来了更严重的效益问题,提高心部硬度,提高淬火时冷却速度,均可相应减少渗层深度。 

2004年,刘园园等选用不同材质和热处理的工艺,对模数为9和10mm的牵引电机的主动齿轮进行单齿弯曲疲劳试验。据瑞士MAAG厂的数据显示,调质硬度为300HB时,许用弯曲应力为300MPa,许用接触应力为850MPa,当渗碳淬火表面硬度达到60HRC时,其抗弯曲应力和抗接触应力分别为500MPa和1600MPa,承载能力分别提高了70%和88%。实践证明,齿面硬度提高1.5~3.0倍后,齿轮箱质量可降低70%~90% 。 

在面对渗层质量的控制及齿面的热处理畸变方面没有有效措施等问题时,把齿轮模数m作为选择渗碳层的依据,即t= a·m,a值取决于热处理方法,渗碳硬化时 a 定为0.15,表面淬火时a为0.4能达到最佳抗疲劳强度,超过这一数值,因残余压应力降低将导致疲劳强度下降,大型重载齿轮须有足够的渗碳硬化层深度,有的高达8mm,但过深会使齿轮畸变增大。应寻找一个合理的硬化层深度和平缓的过渡区,来保证沿渗层的强度分布高于最大的切应力分布。 

渗碳齿轮心部硬度(强度)的提高,对硬化层的支撑作用增加,有利于提高大型重载齿轮的承载能力。提高心部硬度能显著提高硬化层深度,缩短渗碳时间20%左右。但强度极限超过1100~1200MPa时,单齿弯曲疲劳强度将下降。由于重载齿轮截面大,受冷却条件限制,过高的心部硬度要求,势必要求选用高合金钢。随着心部硬度的提高,轮齿的畸变也增大,工艺趋于复杂,一般大型重载齿轮的心部硬度大多选用30~40HRC。为了增加对齿轮畸变的控制,开始对齿轮进行碳氮共渗。共渗温度一般比渗碳低60~80℃,不仅保证了奥氏体晶粒不长大,而且畸变小,且由于碳氮原子共同渗入金属表面,使碳质子的扩散系数增加,因而不影响渗速。拟定方案一为渗碳后缓冷,磨齿后再在840℃碳氮共渗6h。另一种方案渗碳后降温至860 ℃ 碳氮共渗,作者提出,此方法为一个研究方向,实际仍有许多问题待解决。 

齿轮应用

2008年,马修泉等开始考虑更换钢的材料来完成对重载齿轮渗碳处理的优化,将20CrNi2Mo钢和低碳渗碳钢进行渗碳表面强化处理,对试样的畸变,渗层的碳浓度梯度,试样的有效硬化层,试样表层的残留奥氏体含量进行对比分析。 

20Cr2Ni4钢属于高合金钢,主要应用于重载齿轮、渗碳轴承等零件上,但由于其合金元素含量高,残留奥氏体量过多,使得热处理工艺复杂,成本高,热处理畸变严重。而20CrNi2Mo钢是优质低碳中合金结构钢,合金元素配比良好,冶炼工艺优良。研究人员探究采用合适的热处理工艺,用20CrNi2Mo钢代替20CrNi4 钢用作重载齿轮的可行性。渗碳能力的测试采用25mm × 100 mm剥层试样,表层硬化能力测试采用 15 mm × 25 mm 试样,表层残留奥氏体含量测定采用 10 mm × 10 mm × 25 mm 的试样。试样的热处理在IPSEN多用炉中进行,渗碳温度920℃,渗碳时间27h,20Cr2Ni4钢渗碳后空冷,650℃高温回火后重新加热至820℃淬火,20CrNi2Mo钢渗碳后降温至820℃均温后淬火,低温回火温度为180℃。经测试,即测量低温回火后畸变试样缺口间距的变形量; 将剥层试样车削剥层,测定切屑的碳含量; 利用显微硬度法测试试 样的有效硬化层深; 用 X射线衍射仪法测定试样表层 的残留奥氏体含量,确定20CrNi2Mo钢的热处理畸变趋势较小,渗碳性能、表面硬化性能良好,表层的残留奥氏体含量合理。用20CrNi2Mo钢代替20Cr2Ni4钢制造重载齿轮,可以达到简化热处理工艺、减少热处理畸变和改善工件质量的目的。对试样最终热处理前后畸变量测试、渗碳性能、表层硬化能力、表层残留奥氏体含量、显微组织形貌、晶粒度级别、力学性能和磨损性能的对比测试分析也进一步的验证了材料替换的可行性。

2012年,刘爱辉等对用20CrNi2Mo钢代替20Cr2Ni4钢制造重载齿轮的方案做了进一步完善。试验中,用930 ℃ × 4 h 正火 + 930 ℃ × 10 h 渗碳, 830 ℃ × 3 h 淬火 + 180 ℃ × 8 h 回火的新方案代替了 原始的 920 ℃ ×8 h 渗碳 + 650 ℃ × 3 h 回火、820 ℃ × 6 h淬火 + 180 ℃ × 2 h 回火的方案。由试验测量数据可以看出,改进工艺处理的试样的强度和硬度要高于用原始工艺处理的试样的强度和硬度; 热处理畸变量均是新工艺相对于原始工艺要小,从而可降低成本; 金相显示用新工艺处理的试样表面渗层组织为明显的回火马氏体,还有部分残留奥氏体和粒状碳化物。原工艺采用高温回火时渗层中碳和合金元素以碳化物形式析出、球化和粗化,这会造成残留奥氏体中的碳含量降低,此时热应力就会发挥作用引起畸变,而新工艺由于合金钢的淬透性较好,且试验采用冷却速度较缓和的淬火介质,故整体的淬火畸变较小。 

最终的结果表明,采用改进后的热处理工艺,试样的伸长率、断面收缩率、冲击韧度与原始工艺相比变化不大,而抗拉强度、表面硬度、热处理畸变量均比用原始热处理工艺处理的性能要好。因此重载齿轮用20CrNi2Mo钢热处理时应采用改进后的热处理工艺代替原始工艺,这为扩大20CrNi2Mo钢应用领域奠定了基础。2013年,罗长增等研究了17CrNiMo6钢重载齿轮渗碳分别在快速淬火油(K油) 和硝盐两种介质中淬火+低温回火后的组织和性能,用微观组织、硬度分布、力学性能等测试进行表征。

结果表明,试样在 K油中淬火硬度分布曲线在2mm处出现陡降,而在硝盐中淬火后的硬度分布比较平缓; K油淬火及硝盐淬火后得到的表层组织中碳化物都为细小粒状,心部组织都为板条马氏体和少量的游离铁素体,而用K油淬火的马氏体针比硝盐淬火得到的马氏体针更细小;在K油和硝盐中淬火后的力学性能均满足标准要求,且K油中淬火试样的力学性能优于在硝盐中淬火后的力 学性能。2016年,王龙龙等选用18Cr2Ni4WA钢研究其热处理18Cr2Ni4WA钢中所含合金总量大于5%而不到10%,属于高强度中合金钢,具有良好的综合力学性能,特别适合制造性能要求高,横截面比较大的机械零件,而采煤机摇臂中所使用的重载齿轮就是这样一类零件。由于采煤机中重载齿轮的热处理技术要求为表面硬度58~62HRC,硬化层深最高2.3mm,要想达到这么高的硬度和硬化层深度,必须要进行渗碳。 

采用煤油和甲醇作为渗碳原料,选用不同碳势研究其对碳化物级别的影响,不同回火次数,不同淬火温度研究马氏体及残留奥氏体的情况,最终得到较优的参数来热处理得到表面硬度、抗冲击性能较好,产品质量较高的产品。采用18Cr2Ni4WA钢进行渗碳热处理,在其表面会生成较多的残留奥氏体,使用高温回火的方法可以降低其含量,多次回火效果更好。渗碳过程中,强渗阶段碳势控制在1.2%C,扩散阶段碳势控制在0.80%C能得到比较好的渗层组织,碳化物级别也比较理想。 

此外,淬火温度的选取决定产品硬度峰值和马氏体残 留奥氏体级别。选用这种新型的高强度中合金钢,探究其热处理工艺,也是对重载齿轮渗碳热处理领域的一种补充。此外,由于渗碳齿轮具有最好的综合力学性能,可使低碳钢达到像高碳钢一样的高硬度和高耐磨性的表面层并保持低碳钢的韧性和塑性,因此渗碳工艺在高参数齿轮的生产中获得了很大的发展。由上可以看出,为了解决渗碳层深度及齿轮畸变的控制等问题,研究人员选用了不同的方法进行探究; 而为了使渗碳热处理工艺更加的完善,研究者尝试不同的工艺 如真空渗碳,对不同材料及其最优化的热处理工艺参数选择上,研究人员也进行了大量的探索,为渗碳热处理带来更多的可能。


关键字: 齿轮热处理
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