热处理工艺对17CrNiMo6齿轮钢带状组织的影响.pdf

工艺研究August,2023RECHULI JISHU YUZHUANGBEI2023年8 月Vol.44,No.4热处理技术与装备第44卷第4期热处理工艺对17 CrNiMo6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)摘要：17 CrNiMo6大伞齿轮锻件经“8 8 0 4h，空冷”正火+“6 8 0 5h，空冷”回火预备热处理和“8 40 2 h,油冷”淬火+“2 0 0 2 h,空冷回火最终热处理后，其切向、横向均存在5级带状组织，造成大伞齿轮锻件产品各向异性，使其横向的屈服强度、抗拉强度及塑韧性均低于要求值。分析了带状组织产生的原因，提出优化锻造加热和正火工艺。锻造加热过程中在950 保温2 h进行高温扩散，正火温度升高至90 0 保温6 h，同时在正火升温和降温至6 50 均保温2 h，保证成分均匀，组织转变充分。最终带状组织消除，17 CrNiMo6大伞齿轮锻件产品的力学性能尤其是塑韧性得到大幅提升。关键词：17 CrNiMo6齿轮钢；带状组织；热处理；锻造；正火中图分类号：TG156.3文献标识码：A文章编号：16 7 3-497 1(2 0 2 3)0 4-0 0 32-0 4Heat Treatment on Banded Structure of 17CrNiMo6 Gear SteelJING Chun-ming(Lanzhou LS Group Co.,Ltd.,Lanzhou Gansu 730314,China)Abstract:17CrNiMo6 large bevel gear forgings were 5 grade band structure in tangential direction andtransverse direction after the preliminary heat treatment of 880 C 4 h,air cooling normalizing+680 5 h,a i r c o o l i n g t e mp e r i n g a n d t h e f i n a l h e a t t r e a t me n t o f 8 40 2 h,o i l c o o l i n g q u e n c h-ing+200 2 h,a i r c o o l i n g t e mp e r i n g,c a u s i n g t h e l a r g e b e v e l g e a r f o r g i n g s a p p e a r e d a n i s o t r o p y,sothat the transverse yield strength,tensile strength and plastic toughness lower than the required value.The forging heating and normal heat treatment processes were optimized after analyzing the causes for the for-mation of banded structure.During the forging heating process,the high temperature diffusion was carriedout at 950 f o r 2 h,a n d t h e n o r ma l i z i n g t e mp e r a t u r e w a s i n c r e a s e d t o 90 0 f o r 6 h.A t t h e s a me t i me,during the normalizing heating and cooling process,the temperature was kept at 650 C f o r 2 h t o e n s u r e u n i-form composition and adequate structural transformation.The results showed that the banded structure waseliminated,and the mechanical properties,especially the plastic toughness,of 17CrNiMo6 large bevelgear forgings were greatly improved.Key words:17CrNiMo6 gear steel;banded structure;heat treatment;forge;normalizing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收稿日期：2 0 2 3-0 4-0 5作者简介：景春明（198 4一），男，工程师，本科，主要研究方向为钢铁材料。联系电话：138 93330 2 98;E-mail:33景春明：热处理工艺对17 CrNiMo6齿轮钢带状组织的影响第4期向转变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。17 CrNiMo6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17 CrNiMo6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30 tEAF-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17 CrNiMo6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880mm垫圈带冒口粗至12 0 0 mm高拔长倒圆至880mm镦粗至1200mm高拔长至350mm切冒口坑冷，在5000T压机上开坏。表117 CrNiMo6钢的化学成分（质量分数，%）Table 1Chemical composition of 17CrNiMo6 steel(mass fraction,%)元素CSiMnCrMoNiPSCu含量0.14 0.190.17 0.350.40 0.601.501.800.25 0.351.40 1.700.0300.0300.25在10 0 0 T压机和碾环机上锻造毛坏重量为493kg的大伞齿轮2 5件，锻比不小于3。350mm653mm的坏料加热至12 0 0，在10 0 0 T压机上镦粗至430mm高，拔长至350mm，二次镦粗至18 0 mm高，用210mm冲头冲孔，进行马架扩孔至内径大于300mm，终锻温度控制在8 50，二次加热，上碾环机成形。图1为17 CrNiMo6大伞齿轮最终成形产品尺寸。8477.818-图1大伞齿轮尺寸图Fig.1Dimensional drawing of large bevel gear1.2热处理、组织及力学性能评定方法17CrNiMo6大伞齿轮锻件以小于12 0/h的加热速度升温，进行“8 8 0 4h，空冷”正火+“6 8 0 5h,空冷”回火预备热处理及“8 40 2 h,油冷”淬火+“2 0 0 2 h,空冷 回火最终热处理9。在锻件本体截取30mm30mm试样，按标准GB/T13299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，热处理后切取样坏直接制成标准冲击试样和拉伸试样，冲击试样尺寸为55mm10mm10mm，拉伸试样d为10 16mm,力学性能试验方法参照标准GB/T3077。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12 0 2结果及分析2.1带状组织热处理后17 CrNiMo6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。17 CrNiMo6齿轮钢含有Cr、Ni、M o、M n、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 100m100um(a)横向;(b)切向图2#热处理后齿轮钢带状组织(a)transverse;(b)tangentialFig.2Banded structure of gear steel after heat treatment2.2力学性能带状组织的存在会使17 CrNiMo6齿轮钢的力学性能产生各向异性,17 CrNiMo6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34第44卷热处理技术与装备达到要求；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 17 CrNiMo6齿轮钢的力学性能Table2Mechanical properties of 17CrNiMo6 gear steel性能下Rpo.2/N mm-2Rm/N:mm-2A/%Z/%AkV/J硬度/HB横向8991047113639148切向954116812.54248163要求值90010801035401502002.3工艺改进要消除17 CrNiMo6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 4h，进行高温扩散，使锻件毛坏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17 CrNiMo6大伞齿轮锻件毛坏加热至950 保温2 h，再升温至12 0 0 始锻温度。正火时加热速度小于10 0/h，加热至6 50 保温2 h，再加热到90 0 保温6 h，炉冷至6 50 保温2 h后空冷；然后进行6 8 0 回火保温5h；最终调质热处理仍为840淬火保温2 h，油冷，2 0 0 回火保温2 h，空冷。17 CrNiMo6齿轮钢珠光体转变开始温度为6 50，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6 50 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17 CrNiMo6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。锻件毛坏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)(b)100um100m(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.3Microstructure of gear steel after process improvement在同一批次的17 CrNiMo6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17 CrNiMo6齿轮钢的力学性能检测结果如表3所示。结果表明17 CrNiMo6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17 CrNiMo6齿轮钢的力学性能Table3Mechanical properties of 17CrNiMo6 gear steelafter process improvement性能Rp0.2/Nmm-Rm/Nmm-2A/%Z/%AkV/J硬度/HB横向110011991558109181切向116911891656106180要求值90010801035401502003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。通过锻造毛坏加热过程中进行950 高温扩散、预备热处理采用90 0 高温正火，可有效消除17 CrNiMo6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，17 CrNiMo6齿轮钢的最佳热处理工艺为“90 0 6 h,空冷 正火+“6 8 0 5h，空冷”回火预备热处理和“8 40 2 h，油冷”淬火+“2002 h，空冷”回火最终热处理，升温速率控制在10 0/h以内，且在正火升温和降温至珠光体转变开始温度6 50 保温2 h。参考文献1王爱香，高金柱，顾敏.新型高合金齿轮渗碳钢17CrNiMo6的热处理J.金属热处理,2 0 10,35（10）：82-85.2向小琴，喻涛.锻造工艺对钢中组织偏析的改善J.锻压技术,2 0 14,39(1):11-13.3王全振，张忠和，刘爽庆，等.18 CrNiMo7-6钢的热处理35.景春明：热处理工艺对17 CrNiMo6齿轮钢带状组织的影响第4期工艺研究J.热处理技术与装备，2 0 17,38（4）：2 9-33.4陈晨，杨志南，张洋，等.大功率风电偏航轴承套圈用钢及其模拟热处理工艺J.机械工程学报,2 0 15,51（14）：29 36.5蔡珍，黄运华，张跃，等.冷却速度对铁素体一珠光体带状组织的影响机制J.钢铁研究学报，2 0 12,2 4（6）：25-30.6牛文明，左永平，丁林.匀速冷却介质在18 CrNiMo7-6齿坏锻后控冷中的应用J.热处理技术与装备，2017,38(3):60-64.7刘阳，胡一杰，江利.17 CrNiMo6钢的热处理工艺及性能研究J.铸造技术,2 0 16,37(1)：30-33.8刘成宝，翟正龙，窦圣朋，等.齿轮钢SAE8620H的带状组织J.材料热处理学报，2 0 15,36（2）：155-16 1.9王盛松，胡萍.17 CrNiMo6钢花键齿轮轴的热处理工艺J.金属热处理,2 0 15,40(8:17 6-17 8.10陈世杰，孙维，汪开忠，等.18 CrNiMo7-6齿轮钢带状组织控制及其对力学性能的影响J.钢铁研究学报，2016,28(9):76-80.热处理技术与装备杂志征订启事欢迎订阅欢迎投稿欢迎刊登广告热处理技术与装备创刊于198 0 年，由江西省科学院应用物理研究所和中国热处理行业协会主办。热处理技术与装备始终坚持先进性、科学性、新颖性和实用性的办刊方针，是综合介绍国内外热处理技术与装备的窗口和媒介。主要报道：先进热处理工艺、装备、检测技术，新型材料的研制、开发、应用，设备自主研发和引进吸收新技术推广应用，技术革新、技术改造，科学管理方面的成功经验，计算机应用，科技动态等。读者对象：机械及冶金行业的科研院所、大专院校和工矿企业从事热处理的专家、学者、技术人员以及管理人员，是广大热处理同仁知识更新的有力工具和工作学习的良师益友。主要栏目：综述、工艺研究、材料研究、性能研究、设备、失效分析、表面工程、计算机应用、科学管理和行业信息等。热处理技术与装备为双月刊，国际标准连续出版物号：ISSN1673-4971；国内统一连续出版物号：CN36-1291/TG；国内外公开发行，国内邮发代号：44-2 3，国内定价：10.0 0 元/册，全年订价6 0.0 0 元；读者可到当地邮局订阅，也可向热处理技术与装备编辑部办理邮购。本刊为适应市场经济的需要，沟通供需渠道，利用本刊覆盖面广、影响力大、专业性强、可信度高等优点，本着为厂家服务、对用户负责的宗旨，以优惠的价格、精美的版面及时、准确地将行业产品信息传递给广大读者，同时，扩大宣传企业在行业中的影响，提高企业的知名度。邮局汇款：南昌市昌东大道7 7 7 7 号邮编：330 0 96收款人：热处理技术与装备编辑部银行汇款：江西省科学院应用物理研究所开户银行：工行北京西路支行帐号：150 2 2 0 6 0 0 90 2 6 4116 2 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