摘要：鉻鎳鋼齒輪，特別是20Cr2Ni4鋼齒輪，以往由于滲碳淬火后表層存在大量的殘余奧氏體，所以在滲碳后淬火之前進(jìn)行一次高溫回火，即一次淬火法。其生產(chǎn)率低，耗能多。經(jīng)我們多年實(shí)踐，采用微機(jī)控制滲碳，實(shí)現(xiàn)齒輪滲碳后直接淬火工藝。
關(guān)鍵詞：微機(jī)控制；一次淬火；直接淬火；殘余奧氏體
1．前言
我廠磨煤機(jī)減速箱齒輪有螺旋傘齒輪、圓柱齒輪，其外形尺寸最大直徑 982mm，最大模數(shù)m=14，采用S17Cr2Ni2Mo，20Cr2Ni2Mo，J20CrNi2Mo鉻鎳滲碳鋼制造。也曾制造一批20Cr2Ni4鋼重載齒輪。其工藝路線：鍛造——正火加回火——粗車(chē)——消除應(yīng)力——半精加工——滲碳淬火加低溫回火——精加工。
對(duì)齒輪的滲碳淬火，我們最初采用一次淬火法，即齒輪滲碳后進(jìn)行高溫回火再加熱到淬火溫度進(jìn)行淬火。由于我們只有一臺(tái)滴控井式滲碳爐，齒輪的滲碳、淬火、高溫回火都在這個(gè)爐子進(jìn)行。生產(chǎn)周期長(zhǎng)，不能滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的生產(chǎn)量的需求，迫切需要改變現(xiàn)有的一次淬火法，實(shí)現(xiàn)齒輪滲碳后降至淬火溫度保溫30分鐘后進(jìn)行油冷的直接淬火法。
經(jīng)我們多次工藝試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。從1995年開(kāi)始，每年要處理大小齒輪近百套，每爐節(jié)約20小時(shí)，每爐可節(jié)約1500kW·h(度)，極大的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，滿(mǎn)足了生產(chǎn)的需要，如期完成總廠下達(dá)的生產(chǎn)任務(wù)。
2．合金滲碳鋼齒輪技術(shù)要求
為滿(mǎn)足使用要求，合金滲碳鋼齒輪技術(shù)要求：
1)齒輪鍛坯正火后的硬度HB≤229。
2)滲碳淬火后硬度：齒面58～62HRC，芯部40～45HRC。
3)齒面滲碳層深度：根據(jù)不同模數(shù)的齒輪，一般為1.5～2.5mm。
4)齒輪鍛坯奧氏體晶粒度6級(jí)以上，帶狀鐵素體在2級(jí)以下。
5)齒面滲碳淬火后組織為隱晶或細(xì)針狀馬氏體組織，不許有針狀和網(wǎng)狀碳化物及大量殘余奧氏體存在。碳化物3級(jí)以下合格，馬氏體加殘余奧氏體3級(jí)以下合格。心部淬火后為低碳馬氏體組織，心部鐵素體不允許超過(guò)2級(jí)。
6)齒面滲碳淬火后硬度梯度平緩，碳濃度平緩。
7)齒輪精度等級(jí)6級(jí)。
3．嚴(yán)格控制齒輪鍛坯的質(zhì)量
我廠生產(chǎn)的減速箱齒輪鍛坯委托外廠冶煉鍛造。為確保鍛坯質(zhì)量，對(duì)進(jìn)廠的鍛坯都要進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，其中包括表面質(zhì)量，機(jī)械性能，非金屬夾雜物，低倍組織，奧氏體晶粒度，帶狀組織等必須達(dá)到技術(shù)要求的合格范圍。并用同一熔煉爐號(hào)，同一材料，同一鍛造工藝的鍛坯，制成與齒輪同模數(shù)的齒形(單齒)滲碳淬火試塊。
4．認(rèn)真做好預(yù)備熱處理
齒輪鍛坯的預(yù)備熱處理的好壞直接關(guān)系到后序的滲碳淬火的質(zhì)量。其中包括馬氏體針的粗細(xì)。嚴(yán)格執(zhí)行正火加回火工藝，我們選用的正火溫度高于滲碳溫度20℃，即940℃保溫3小時(shí)空冷，650～700℃保溫4小時(shí)空冷。1OOKW臺(tái)車(chē)爐裝爐量8件，嚴(yán)格檢查齒輪鍛坯正火后的硬度和金相組織和晶粒度的檢查。組織為細(xì)珠光體，晶粒度優(yōu)于6級(jí)。
5．齒輪滲碳淬火設(shè)備及工藝
我們使用150KW滴注式井式滲碳爐對(duì)齒輪進(jìn)行滲碳淬火，其有效尺寸為Φ1200×1200，該爐靠爐蓋本身自重(約1噸重)及石棉盤(pán)根與爐罐密封，省去爐蓋和爐罐用螺栓、螺母連續(xù)的繁重體力勞動(dòng)。經(jīng)過(guò)冷熱調(diào)試，爐溫均勻，設(shè)備密封性能好，不漏氣。爐罐內(nèi)爐氣碳勢(shì)均勻，波動(dòng)小，920℃鋼箔定碳。當(dāng)氧電勢(shì)E=1140mV時(shí)，爐罐內(nèi)上下部位碳勢(shì)相差0．02%C；當(dāng)氧電勢(shì)E=1125mV時(shí)，爐罐內(nèi)上下部位碳勢(shì)相差0.03%C。
我們用熱電偶做爐溫的傳感元件，用氧探頭做氧電勢(shì)(爐氣碳勢(shì))的傳感元件。用電磁閥和可控硅做碳勢(shì)和溫度的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。滲碳介質(zhì)采用工業(yè)甲醇加燈用煤油。使用時(shí)直接滴入氣體滲碳爐內(nèi)，經(jīng)裂解后產(chǎn)生活性碳原子，通過(guò)調(diào)節(jié)滴入量控制齒輪表面的碳濃度。我們采用了農(nóng)機(jī)院工藝所研制的TC-890井式爐滲碳微機(jī)控制系統(tǒng)，內(nèi)有滴注式可控氣氛滲碳、淬火過(guò)程控制程序。
滲碳工藝采用改進(jìn)的強(qiáng)滲—擴(kuò)散兩段工藝。兩段法具有滲碳速度快，滲層碳濃度控制質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步改進(jìn)。充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)快速計(jì)算的控制功能，根據(jù)工況適時(shí)調(diào)節(jié)電磁閥的開(kāi)啟頻率和脈沖寬度，調(diào)整甲醇、煤油量，并保持兩者之間的比例關(guān)系。從而逐步調(diào)節(jié)爐氣碳勢(shì)，使?jié)B碳速度更快，齒面碳濃度平緩，淬火后齒面硬度梯度平緩，滲碳質(zhì)量更好，稱(chēng)之自適應(yīng)滲碳法。
實(shí)踐證明，應(yīng)用微機(jī)控制系統(tǒng)，工人操作簡(jiǎn)單，工人只要輸入鋼材代號(hào)，要求的硬化層深度和表面含碳量，其一切都由電腦自動(dòng)控制完成，當(dāng)硬化層深度和表面含碳量達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)值時(shí)，自動(dòng)鳴鈴提示操作人員出爐。在整個(gè)滲碳過(guò)程中各工藝參數(shù)用數(shù)碼管顯示，并能打印記錄。通過(guò)對(duì)齒表面碳含量的測(cè)定，與表面碳濃度設(shè)定值0.70%C比較，該控制系統(tǒng)能使輪齒表面碳濃度精確控制在±0.05%C。齒輪表面碳濃度、淬火溫度的高低直接關(guān)系到齒輪淬火后馬氏體針的粗細(xì)和殘余奧氏體量的多少。當(dāng)齒面碳濃度及淬火溫度過(guò)高時(shí)，在淬火加熱時(shí)溶入奧氏體中的碳含量就會(huì)增加，降低了馬氏體的轉(zhuǎn)變，使鋼中的殘余奧氏體增多。淬火溫度過(guò)低使輪齒芯部硬度低，降低輪齒心部的機(jī)械性能。經(jīng)多爐試驗(yàn)確定如下滲碳淬火工藝。我們把輪齒表面碳濃度控制在0.70%C，滲碳溫度920℃。滲碳結(jié)束后降至淬火溫度為840℃，保溫30分鐘油冷。淬火油采用北京華立精細(xì)化工公司的快速淬火油，保證了組織充分轉(zhuǎn)變。
6．齒輪回火設(shè)備及工藝
我們使用100KW井式回火爐，有效尺寸Φ1200×1200，使用培特永昌機(jī)電有限責(zé)任公司生產(chǎn)的微機(jī)控制系統(tǒng)，經(jīng)用6支凱裝熱電偶在爐罐上、中、下部各點(diǎn)測(cè)量爐溫的均勻性。當(dāng)儀表指示為180℃時(shí)，最大溫差為5℃。
齒輪滲碳淬火后，必須及時(shí)回火�；鼗鸬哪康氖菫榻档痛慊饝�(yīng)力，減少脆性，盡量保持鋼的高硬度和高耐磨性。使齒面硬度保持在58～62HRC。
馬氏體分解速度同回火溫度、回火時(shí)間有密切關(guān)系�；鼗饻囟扔撸R氏體分解速度愈快，析出的c碳化物愈多，因而馬氏體的碳濃度和正方度也愈低。因此，必須找出—個(gè)適當(dāng)?shù)幕鼗饻囟�，既保證齒面的高硬度，又使馬氏體充分分解，降低馬氏體的過(guò)飽和度�；鼗鹦璞亍〞r(shí)間，目的是使工件表面與心部溫度均勻一致，保證組織轉(zhuǎn)變的充分進(jìn)行。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)做出輪齒表面硬度和回火溫度的關(guān)系曲線圖(見(jiàn)圖1)
我們采用180℃保溫6小時(shí)空冷的兩次回火工藝。
滲碳淬火齒輪經(jīng)過(guò)回火后檢查齒面硬度都能保證58～62HRC，齒面碳化物控制在1～3級(jí)，馬氏體加殘余奧氏體控制在1～3級(jí)(見(jiàn)圖2)。心部鐵素體控制在1級(jí)。
7．結(jié)論
鉻鎳鋼齒輪滲碳淬火，只要嚴(yán)格控制齒輪鍛坯的內(nèi)在質(zhì)量，奧氏體晶粒度優(yōu)于等于6級(jí)。認(rèn)真執(zhí)行正火加回火工藝，做好滲碳淬火前的組織準(zhǔn)備。使用先進(jìn)的淬火、回火設(shè)備，采用微機(jī)控制系統(tǒng)，精確控制齒面的碳濃度，淬火、回火溫度，就可以實(shí)現(xiàn)直接淬火工藝。
從1995年至今，我們一直使用鉻鎳鋼齒輪滲碳淬火工藝，從未發(fā)生任何質(zhì)量問(wèn)題。l995年制造的ZG’M95磨螺傘齒輪至今仍在使用中。
