20CrNi2Mo钢带状组织的形成与消除

探讨了齿轮用20CrNi2Mo 钢带状组织的形成机理, 形成条件及影响因素, 分析了带状组织对齿轮渗碳层的影响, 规定了齿轮用钢带状组织的允许范围, 通过工艺试验, 找出了消除20CrNi2Mo 钢带状组织的方法。

　试验研究　　

文章编号:100726034(2003)0520007204

20CrNi2Mo钢带状组织的形成与消除

华公平,晁国强,侍继香

(中国南车集团戚墅堰机车车辆工艺研究所,江苏常州213011)

摘　要:探讨了齿轮用20CrNi2Mo钢带状组织的形成机理,形成条件及影响因素,分析了带状组织对齿轮渗碳层的影响,规定了齿轮用钢带状组织的允许范围,通过工艺试验,找出了消除

20CrNi2Mo钢带状组织的方法。

关键词:齿轮;20CrNi2Mo钢;带状组织中图分类号:U270.4　　　文献标识码:A

　Formationandeliminationof20HUA-,CHAO-IJ-ollingStockTechnologyResearch

Institute,213011,Changzhou,China)

Abstract:Itisdiscussedinthispapertheformationmechanism,formationconditionandimpactfactorsofbandedstructurein20CrNi2Mosteelusedforgears.Itisana2lyzedtheeffectofbandedstructureoncarburizedlayerofgearsandspecifiedthe.Itisalsofoundthepermissiblescopeofbandedstructureofthisgear-usedsteel

solutiontoeliminatethebandedstructurein20CrNi2Mosteelthroughtechnologicalexperiment.

Keywords:gear,20CrNi2Mosteel,bandedstructure

1　前言

随着铁路机车速度的提高、载荷的增加,作为关

键零部件的牵引齿轮的工作条件也日趋恶劣,对齿轮性能提出了更高的要求。一方面,渗碳、淬火齿轮以更优良的弯曲、接触疲劳强度和耐磨性而获得越来越广泛的应用;另一方面,为发挥材料的性能,对齿轮用钢的研究也日趋深入。我国近期从日本及西欧等工业发达国家引进了一批专用齿轮钢,其中20CrNi2Mo钢以优良的综合性能、高的性价比,曾在国外的高速、地铁及城市轨道车的牵引齿轮上获得广泛的应用。近年来,戚墅堰机车车辆工艺研究所

收稿日期:2003203218

作者简介:华公平(19732),男,江苏金坛人,工程师,1996年毕业于西安交通大学材料科学与工程专业,工学学士,现从事齿轮材料及热处理研究工作。

对该钢进行了深入研究,成功地将该钢应用在地铁及城市轨道车的牵引齿轮上,并尝试将该钢用于高速机车的牵引齿轮上。

在对20CrNi2Mo钢制齿轮进行热处理的过程中,发现经过锻造并退火的齿轮毛坯中出现了比较严重的带状组织,引起钢机械性能的各向异性,并有可能导致零件渗碳层的开裂[1],但具体对零件使用性能的影响,目前尚无确切定论。

本文试图对20CrNi2Mo钢的形成机理、形成条件、影响因素进行探讨,研究带状组织对渗碳层的影响、渗碳齿轮带状组织的允许范围;通过工艺试验,找出消除带状组织的方法。

2　试验

采用抚顺钢厂提供的 120mm的20CrNi2Mo圆钢,其化学成分见表1:

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探讨了齿轮用20CrNi2Mo 钢带状组织的形成机理, 形成条件及影响因素, 分析了带状组织对齿轮渗碳层的影响, 规定了齿轮用钢带状组织的允许范围, 通过工艺试验, 找出了消除20CrNi2Mo 钢带状组织的方法。

　试验研究　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　机车车辆工艺　第5期2003年10月　

表1　20CrNi2Mo钢的化学成分

名　称

20CrNi2Mo

C0.19

Si0.23

Mn0.43

P0.017

S0.017

Cr0.54

Ni1.62

Mo0.23

Cu0.15

%

试验过程如下:

(1)将 120mm圆钢按两种锻造工艺锻成 40

“I”、“II”。对试mm的圆棒,两种锻造工艺分别编号为

棒进行退火处理,退火工艺编号为“1”。用金相显微镜对经过“I+1”及“II+1”处理的试棒进行组织检查;

(2)将经过处理的试棒加工到 25mm“I+1”后进行渗碳试验,用金相显微镜检查渗碳层组织。渗碳工艺编号为“2”。对渗碳后的圆棒按工艺“3”进行

工艺编号

III12345

淬火试验,用显微硬度计检查渗碳层硬度分布;

(3)对经过“I”处理的试棒进行常规正火及高温正火处理,工艺编号分别为“4”、“5”。用金相显微镜对经过“I+4”、“I+5”处理的试棒进行组织检查;

(4)对经过处理的试棒再次进行“4”、“5”“I+1”

的工艺处理。用金相显微镜对经过“I+1+4”、“I+1+5”处理的试棒进行组织检查。

各种处理工艺见表2。

具体工艺描述

表2　处理工艺

120mm圆钢拔成 60mm圆棒、再镦成 80mm40 120mm圆钢拔成 40mm圆棒。880℃×90min,炉冷到

在930℃、1.min,℃.420min后炉冷到300℃出炉。;min,℃×,903　结果及其分析

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.1　带状组织的形成机理与影响因素分析

加热奥氏体化并保温后,由于扩散速度的差异,碳将优先均匀化,而合金元素则很难达到均匀化。这就使得枝晶偏析得以保留而成为带状组织形成的基础。

经“I+1”及“II+1”处理的圆棒的组织见图1、图2。从图1、图2可以看出:20CrNi2Mo钢经热变形后再经退火处理,获得铁素体+珠光体的平衡组织,并且铁素体与珠光体均呈较严重的带状。

图2　经“II+1”工艺处理后的组织　100×

(2)由于带状组织是固态相变的产物[2],而钢中

图1　经“I+1”工艺处理后的组织　100×

为阐明20CrNi2Mo钢中带状组织产生的机理,首先说明两点:

(1)固溶于20CrNi2Mo钢中的碳元素与代位的合金元素,在钢中的扩散系数有很大的差别,碳的扩散系数DC远大于合金元素的扩散系数DM。在钢的凝固过程中,碳与合金元素一起发生枝晶偏析,在钢

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的合金元素影响固态相变的相变点。

根据上述两点认为:当20CrNi2Mo钢锻后进行退火加热时,奥氏体中的碳浓度已相对均匀,但合金元素浓度不均匀。当钢在奥氏体化温度保温时,碳将通过扩散使得各处的活度相等,合金元素对碳活度的影响将导致各处的碳浓度产生差异。碳与合金元素对相变点A3的综合影响导致20CrNi2Mo钢中局部区域的A3点产生差异。当20CrNi2Mo钢从奥氏体相区冷却时,从图3所示的该钢等温转变曲线来

探讨了齿轮用20CrNi2Mo 钢带状组织的形成机理, 形成条件及影响因素, 分析了带状组织对齿轮渗碳层的影响, 规定了齿轮用钢带状组织的允许范围, 通过工艺试验, 找出了消除20CrNi2Mo 钢带状组织的方法。

　20CrNi2Mo钢带状组织的形成与消除

域碳浓度较低。由于碳元素对材料淬透性及淬硬性

的贡献,这将显著影响到齿轮渗碳淬火层的硬度分布,使得硬化层分布变得不均匀,呈现图4所示的“锯齿”状。因此,齿坯中出现不小于2级的带状组织是不允许的

。

图3　20CrNi2Mo钢的等温转变曲线

看,A3,产生,,在。因此,通过退火过程中的先共析铁素体转变,诱发了碳的重新分布与浓度起伏;且由于退火时在先共析铁素体转变区停留时间长,使得该转变得以充分进行,铁素体晶粒析出并长大,从而导致了20CrNi2Mo钢出现严重的带状组织。由于冷却速度对先共析铁素体的析出具有本质性的影响,从该点考虑,可以认为通过控制冷却速度来抑制先共析铁素体转变可以减轻甚至避免在钢中产生带状组织。

通过以上分析,可认为:20CrNi2Mo钢锻后经预备热处理时,冷却速度是影响带状组织生成的一个主要因素,对齿坯采用退火处理是不合适的,它将导致带状组织的生成。另外,比较图1和图2,可以认为:锻造工艺对20CrNi2Mo钢的带状组织无明显影响。

3.2　带状组织的影响

带状组织将使钢的力学性能产生方向性,使得钢的横向塑韧性指标降低,并使钢的被切削加工性能变坏,但带状组织对齿轮使用性能的影响目前尚无定论。图4是经过“I+1+2+3”工艺处理后,用显微硬度法测得的渗碳层硬度分布。图5是经过“I+1+2”工艺处理后的渗碳层组织。从图5可以看出,具有严重带状组织的20CrNi2Mo钢试样在亚共析区将产生明显的条纹,这是碳浓度分布差异造成的结果,即颜色较暗的区域碳浓度较高,而颜色较浅的区

图4　20CrNi2Mo钢的渗碳层硬度分布

3.3　带状组织的抑制与消除

经“I+4”与“I+5”工艺处理的试样组织见图6、图7。从图6、图7可看出:采用上述工艺处理的20CrNi2Mo钢试样仍获得铁素体+珠光体的平衡

组织,但经热变形后无论采用常规正火还是高温正火均可以抑制带状组织的形成,其根本原因就是无论是常规正火还是高温正火,由于冷却速度远大于完全退火的炉冷,抑制了20CrNi2Mo钢的先共析铁素体转变,即使得带状组织的形成诱因得以抑制,使得带状组织难以形成。

经“I+1+4”与“I+1+5”工艺处理的试样组织见图8、图9。从图8、图9可看出:经上述工艺处理的试样组织为铁素体+珠光体平衡组织,略呈带状,也就是说,经过退火而形成的带状组织在经过一次常规正火或高温正火后基本消除。由此可得出结论:20CrNi2Mo钢经热变形并退火而形成的带状组织缺陷是可以消除的。

4　结论

通过对热变形的20CrNi2Mo钢进行的系列试验,可得到以下结论:

(1)经热变形的20CrNi2Mo钢中带状组织的形成是固态相变产物,钢在冷却过程中发生先共析铁素体转变是引发带状组织的诱因,而锻造对20CrNi2Mo钢的带状组织无明显影响;

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探讨了齿轮用20CrNi2Mo 钢带状组织的形成机理, 形成条件及影响因素, 分析了带状组织对齿轮渗碳层的影响, 规定了齿轮用钢带状组织的允许范围, 通过工艺试验, 找出了消除20CrNi2Mo 钢带状组织的方法。

　试验研究　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　机车车辆工艺　第5期2003年10月　

图5　经“I+1+2”工艺处理后的组织　100

×

图8　经“I+1+4”工艺处理后的组织　100

×

图6　经“I+4”工艺处理后的组织　100

×

图9　经“I+1+5”工艺处理后的组织　100×

图7　经“I+5”工艺处理后的组织　100×

(2)由于带状组织对齿轮的渗碳层的碳浓度分

布及硬度分布产生不利影响,因此20CrNi2Mo钢制齿坯中不允许出现不小于2级的带状组织;

(3)热变形后采用退火工艺,由于冷却速度低,使得先共析铁素体转变得以充分进行,从而使得钢中出现严重的带状组织;

(4)经锻造后的20CrNi2Mo钢,无论采用常规正火,还是高温正火均可以抑制带状组织的形成,并且对已形成的带状组织可以减轻甚至消除。因此

,

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20CrNi2Mo钢制齿轮不能采用退火作为预备热处

理工艺,而应采用常规正火或高温正火作为预备热处理工艺。需提出的一点是:从控制以后的齿轮渗碳淬火变形角度考虑,推荐采用高温正火作为齿轮的预备热处理工艺。参考文献:

[1]殷瑞钰.钢的现代质量进展[M].冶金工业出版社,1995.87～88.[2]M.NEY.渗碳齿轮的热处理[M].国防工业出版社,1980.44～45.

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(编辑:杨向明)

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hyx4.html