太阳轮热处理工艺
作者：徐辉、薛婷婷
单位：陕西法士特齿轮有限责任公司
来源：《金属加工（热加工）》杂志
太阳轮（见图1），材料为8620RH，主要化学成分为（质量分数，%）wC=0.18～0.23、wMn=0.7～0.9、wNi=0.4～0.7、wCr=0.4～0.6、wMo=0.15～0.25、wSi=0.15～0.3，产品技术要求：从齿顶沿中轴线2/3齿高处最小硬度25HRC，2/3齿高处表层贝氏体/珠光体≤1级，次表层贝氏体≤2级，齿底表层贝氏体/珠光体≤7级，次表层贝氏体≤4级（表层贝氏体/珠光体级别按黑色块状组织的多少和形成连续网状的趋势分为1～7级；次表层贝氏体级别按贝氏体形成连续网状的趋势分为1～7级），表面硬度59HRC最小，硬化层深要求1～1.55mm。太阳轮齿厚168.42mm，热处理过程当中既要满足1/2齿厚处的硬化层深在层深范围中间，又要使2/3齿高处表层黑色块状的贝氏体/珠光体组织级别满足技术要求，使得热处理工艺参数很难调整。进行多次试验后最终确定了生产工艺，以此来和大家探讨。
图1 太阳轮简图
1.试验方法
在箱式炉中进行试验，热处理工艺曲线如图2所示。试验分三次进行分别编号为1、2、3。1号工艺强渗506min，使用一般淬火油G油淬火；2号工艺强渗443min，使用快速淬火油K淬火；3号工艺强渗303min，使用K油淬火。热处理工艺见表1。
图2 热处理工艺曲线
表1 太阳轮的3种热处理工艺
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工艺编号 |
热处理工艺 |
淬火介质 |
|
1 |
强渗碳势1.2%，925 ℃，506min。降温至865 ℃淬火 |
G油 |
|
2 |
强渗碳势1.2%，925 ℃，443min。降温至865 ℃淬火 |
K油 |
|
3 |
强渗碳势1.2%，925 ℃，303min。降温至865 ℃淬火 |
K油 |
2.试验结果与分析
太阳轮的三种热处理工艺试验结果见表2。
表2 太阳轮的三种热处理工艺试验结果
|
编 号 |
渗碳硬化 层深度/mm |
表面硬 度/HRC |
心部硬度 /HRC |
残余奥氏 体含量 |
晶间氧 化物/μm |
脱碳 |
直接淬火 碳化物 |
|
1 |
1.33 |
65 |
29 |
≤24% |
24～32 |
无 |
无 |
|
2 |
1.55 |
64 |
33 |
24%～30% |
12～24 |
无 |
无 |
|
3 |
1.29 |
64 |
30 |
≤24% |
12～24 |
无 |
无 |
|
显微 裂纹 |
2/3齿高处 |
齿底处 |
结论 |
||||
|
表层贝氏 体/珠光体 |
次表层 贝氏体 |
表层贝氏体 /珠光体 |
次表层 贝氏体 |
||||
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1 |
无 |
＞5 |
1 |
7 |
＜5 |
不合格 |
|
|
2 |
无 |
1 |
＜1 |
7 |
3 |
合格 |
|
|
3 |
无 |
1 |
1 |
6 |
3 |
合格 |
|
（1）2/3齿高处黑色网状的晶间氧化物深度大于24μm，如图3a所示，黑色块状的表层贝氏体/珠光体组织大于5级形成断续的网状趋势，如图3b所示，齿底处次表层贝氏体小于5级形成断续网状趋势比较密集，如图3c所示,不满足热处理工艺要求。
（2）硬化层深1.55mm偏层深要求范围上限，齿底处表层贝氏体/珠光体达到7级形成层片状黑带，如图3d不能很好的满足工艺要求。
试验结果既很好的满足了热处理工艺的金相要求，如图3e所示，也使太阳轮的硬化层深处于技术要求范围中间段。
（a）
(b)
（c）
（d）
（e）
图3 三种热处理工艺后太阳轮的金相组织
晶间氧化物不腐蚀，在显微镜下观察呈黑色网状组织，一般因合金元素内氧化形成，主要看黑色网状向内形成的深度；表层贝氏体/珠光体在光学显微镜下经4%硝酸酒精轻腐蚀后呈黑色块状组织（见图3b、3d、3e），这是由于内氧化而贫合金元素导致淬透性下降形成的一种非马氏体组织，主要看黑色组织形成网状的趋势。
从试验得出结果：晶间氧化物深度大于24μm、表层贝氏体/珠光体组织大于5级、齿底处次表层贝氏体小于5级，推测产生原因：①可能是由于箱式炉原料气中水分、空气含量大或者设备密封性不好间接的带入大量氧原子，使合金元素内氧化造成晶间氧化物深度深，同时也降低了零件的淬透性，生成大量黑色块状贝氏体/珠光体。② 淬火冷却速率不够。淬火冷却越剧烈，冷却速率越大，形成的贝氏体/珠光体组织越少。③淬火介质。在淬火过程中，由于油品氧化以及搅拌不充分等因素导致蒸汽膜破裂时间增长，加剧了表面贝氏体/珠光体增多的倾向，提高油品的淬透能力能有效抑制表层贝氏体/珠光体形成。
根据以上形成因素保证①、②因素不变：设备和原料气不变，冷却搅拌速率不变，改变③因素：将普通淬火油G油换为快速淬火油K油，制定2号工艺，发现太阳轮金相组织得到很好改善并满足了热处理工艺要求。说明此次试验设备的密封性和原料气的纯度均满足热处理工艺要求。不改变设备、原料气、冷却搅拌速率和快速淬火油介质条件下缩短强渗时间制定3号工艺，试验结果表明3号工艺能很好的满足热处理工艺要求。
3.结语
（1）尽可能采用高纯度的原料气做热处理气源，定期对设备进行保养保证设备的密封性，减少空气、水分掺入炉内的含量。
（2）太阳轮热处理工艺建议使用快速淬火油，减少晶间氧化物和表层贝氏体/珠光体、次表层贝氏体含量。
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