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20CrMnTi 齿轮钢的热处理工艺
1.前言
1.120CrMnTi钢概述
20CrMnTi是低碳合金钢,该钢具有较高的机械性能,零件表面渗碳0.7-1.1mm。在渗碳淬火低温回火后,表面硬度为58-62HRC,心部硬度为30-45HRC。20CrMnTi的工艺性能较好,锻造后以正火来改善其切削加工性。此外,20CrMnTi 还具有较好的淬透性,由于合金元素钛的影响,对过热不敏感,故在渗碳后可直接降温淬火。且渗碳速度较快,过渡层较均匀,渗碳淬火后变形小。适合于制造承受高速中载及冲击、摩擦的重要零件,因此根据齿轮的工作条件选用20CrMnTi 钢是比较合适的。经过910-940℃渗碳,870℃淬火,180-200℃回火后机械性能的抗拉强度≥1100Mpa、屈服强度≥850Mpa、延伸率≥10%、断面收缩率≥45%,冲击韧性≥680,硬度为58-62HRC。
20CrMnTi合金成分表1.1
C Si Mn Cr S P Ni Cu Ti
0.17~0.230.17~0.370.80~1.10
1.00~1.30≤0.035≤0.035≤0.030≤0.0300.04~0.10
1.220CrMnTi泵体齿轮的的工艺流程:
1.320CrMnTi钢常见的热处理工艺
表1.2 20CrMnTi钢常见的热处理工艺表
热处理工
艺工艺参数硬度要
求
工艺特点
完全退火加热860~880℃,保温,炉
冷
≤
217HB
S
消除残余应力,降低硬度
正火加热920~950℃,保温,空
冷156~2
07HBS
加热温度在Ac3825℃线之上,细化晶
粒,消除组织缺陷,以获得珠光体+少
量铁素体组织
淬火加热860~900℃,保温,油
冷48~54
HRC
淬火温度高,淬透性中等,变形较大,
硬度不高,耐磨性差
回火加热500~650℃,保温2h,
油冷30~36
HRC
回火索氏体组织
下料锻造正火清洗淬火回火
加工渗碳
包装
清洗检验
气体渗碳 加热900~920℃,以0.15~0.2mm/h 计保温时间 加热温度不超过920℃,以避免晶粒长
大
渗碳后淬火与 回火
淬火:加热820~850℃,保温后油冷 60~63HRC 心部保持良好韧性的同时,表层获得高的强度、硬度、耐磨性与耐蚀性 回火:加热180~200℃,保温2h ,空冷 表:56~62
HRC
心:
35~40HRC
气体碳氮共渗 共渗温度840~860℃,出炉油冷 60~65HRC 心部保持良好韧性的同时,表层获得高的强度、硬度、耐磨性与耐蚀性 回火温度160~180℃,出炉空冷 表:58~62
HRC
心:
35~40
HRC
固体渗硼 渗硼温度900℃,保温4h ,油冷(渗硼剂:85%SiC+10%B4C+5%KBF4 。
渗层
0.115~0.139mm 1689~1789
HV0.1
表面形成高硬度的硼化物层而心部为
淬火组织
1.4 20CrMnTi 钢的相变点/℃
钢号 Ac1 Ac3 Ar1
20CrMnTi 730 820 690
1.5 热处理的总工艺曲线
热处理总工艺曲线
2. 20CrMnTi 齿轮正火处理工艺
2.1正火目的
细化晶粒,消除组织缺陷,以获得珠光体+铁素体组织。并使加工硬度适中,有利于切削。
2.2正火设备
选用RX3箱式电炉参数见表2.1
表2.1
产
品名称产品型
号
额定功
率(kv
主要参数相
数炉膛尺寸(毫
米
外形尺寸
(毫米
重量(千
克
额定
电压
(V
额定温
度(℃
箱
式电炉RX3-30-9 30 380 950 3 950x450x350 1920x1620x
2140
2200
2.3 正火温度
20CrMnTi钢AC3约为825℃,为促使奥氏体均匀化,增大过冷奥氏体稳定性,选择的加热温度在930~950℃。
2.4 加热方法
采用到温加热的方法,是指当炉温加热到指定温度时,再将工件装进热处理炉进行加热。这样做的原因是避免金属组织的出现不需要的相转变,加热速度快,节约时间。便于小批量生产。
2.5 加热介质
加热介质为空气。
2.6 保温时间
选定的依据:加热时间可按下列公式进行计算:t=a×K×D, 式中t为加热时间(min,K为反映装炉时的修正系数,可根据表2.2取K为1.4。a为加热系数min/mm,加热系数a可根据钢种与加热介质、加热温度进行取值,参数见表2.3。D为工件的有效厚度(mm,由公式可知,工件厚度=(工件最厚处直径+工件最薄处直径/2。
可得t=a×K×D。
2.7 冷却方式
冷却方式为出炉空冷。
2.8 冷却介质
冷却介质:空气。
2.9 最终组织
细珠光体+铁素体 晶粒度:5~6级
若正火温度过高,则会导致工件脱碳甚至开裂,降低零件硬度,使正火后的组织粗大;
若正火温度过低,则组织转变不足,不能达到正火预期目的。
表2.2 工件装炉修正系数 工件装炉方式 修正系数
1.0
1.4
1.3
1.7
表2.3 工件加热温度
钢材 空气电阻炉的a 值(min/mm 盐浴炉的a 值
碳钢 0.9~1.1 25~30
2.10 正火工艺曲线
正火工艺曲线图见图2.1
图2.1 正火处理工艺曲线
3.20CrMnTi齿轮的渗碳处理工艺
3.1 渗碳的目的
渗碳后进行淬火与回火,使其心部保持良好的韧性的同时,表层获得高的强度、硬度和耐磨性。
3.2 渗碳温度
进行气体渗碳,加热900~920℃,以0.15~0.2mm/h计保温时间,加热温度不超过920℃,以避免晶粒粗大。
渗碳进行淬火回火处理,淬火加热820~850℃,保温后油冷,180℃低温回火。
3.3 渗碳设备
选用RQ3-60-9D型井式气体渗碳炉,参数见表3.1
表3.1 RQ3-60-9D型井式气体渗碳炉参数
产品
名称产品型号额定功
率(KV
主要参数炉膛尺寸
(mm外壁尺寸(mm
重量
(Kg额定电
压(V
额定温
度(℃
井式
气体
渗碳
炉
RQ3-60-9D 60 380 950 450x600∅1570x2000x2240 2630
说明:炉温均匀,介质流动性好,加热速度,温度均匀,工件变形小,加热质量好,利于提高产品质量,炉膛容积有效利用率高,产量大,耗电量小,可节
省电能与筑炉材料,电极寿命长,减少停炉时间。适用于中小型工件成批生产。
3.4 加热方法
采用到温加热的方法,是指炉膛加热到指定温度时,再将工件加入热处理炉进行加热。这样可以减少加热时间,便于批量生产。
3.5 装炉方法
筐装,10/次,垂直放入渗碳炉,齿轮一个个叠放,要注意每个齿轮之间轮齿不要接触,避免轮齿渗不上碳。
3.6渗碳温度
渗碳温度在Ac3以上,考虑碳在钢中的扩散速度等因素,目前再生产上广泛采用温度为910~930℃。随着渗碳层深度的升高,碳在钢中的扩散系数呈指数上升,渗碳速度加快,蛋渗碳温度过高会使晶粒粗大,工件畸变增大,设备寿命降低等负面影响。渗层厚度为0.8~1.2mm,可以选取t=920℃。
3.7 渗碳介质
渗碳介质:煤油。
渗碳介质煤油在不同温度下的分解产物及含量见表3.2。
表3.2 煤油在不同温度下的分解产物及含量
名称温度/℃分解产物
CO2CO H2CH4CmHn O2+N2煤油950 0.4~2.2 1.2~4.6 37~46 40~56 1~2 0.4~0.8 800 0.4~1.2 12~18 19~26 38.4~47.3 20~29 0.4~7.3 介质参数见表3.3。
表 3.3
名称分子式渗碳反应式用途
煤油航空煤油、灯油主要成
分为:C9~C14和C11~C17
850℃以下分解不充分,含大量的烯烃,
容易残生碳黑和结焦,反应式:
n1(C11H24~C17H36→n2CH4+n2[C]+nH2
强渗碳剂
3.8 保温时间
保温时间:5小时
依据:20CrMnTi钢的渗碳层深度与渗碳时间的关系表3.4、表3.5。
表3.4 煤油-甲醇滴注式通用气体渗碳工艺
渗碳过程排气升温碳势调整强渗扩散预冷渗碳0.4~0.7mm 不少于1h 自然升温20min ——1h 30min
层深度及时间0.6~0.9mm 不少于1h 自然升温20min —— 1.5h 30min
0.8~1.2mm 不少于1h 自然升温20min ——2h 30min
1.1~1.6mm 不少于1h 自然升温20min ——3h 30min
表3.5 渗碳强渗时间
渗碳深度/mm
渗碳温度/℃强渗后渗碳
层深度/mm
扩散时
间/h
扩散后的渗
层深度/mm 920±10 930±10 940±
10
0.4~0.7mm 40min 30min 20min 0.20~0.25 1 0.5~0.6 0.6~0.9mm 1.5h 1h 30min 0.35~0.40 1.5 0.7~0.8
0.8~1.2mm 2h 1.5h 1h 0.45~0.55 2 0.8~0.9
1.1~1.6mm
2.5h 2h 1.5h 0.60~0.70 3 1.2~1.3
3.9渗碳工艺
装炉后排气,滴油量35~65滴/分钟,保温时间160~180滴/分钟,渗层达到要求后降温到850±10℃预冷30分钟,为淬火做准备。
渗碳工艺曲线见图3.1。
图3.1 渗碳工艺曲线图
3.10 渗碳缓冷后的组织
组织由表面至心部依次为:珠光体+二次渗碳体→珠光体→珠光体+铁素体→心部组织。
心部表层
图3.2 20CrMnTi钢渗碳后缓冷组织
4.20CrMnTi齿轮渗碳后淬火处理工艺
4.1 淬火的目的
淬火的目的是为了使过冷奥氏体进行马氏体(或贝氏体转变,得到马氏体(或贝氏体组织,然后配合以不同温度的回火,以提高工件的硬度、强韧性、弹性、耐蚀性和耐磨性等,获得所需的力学性能。
4.2 淬火设备
气体渗碳后零件采用从渗碳温度随炉降温到适宜的淬火温度,经一段保温均热后直接淬火(水或油的热处理工艺,因此淬火工艺与渗碳炉相同。
4.3 淬火温度
淬火温度:840±10℃
依据:20CrMnTi为低碳钢,加热温度t=Ac3+30~50℃。
4.4 保温时间
依据:公式t=a×K×D
t——保温时间
K——工件装炉方式修正系数,见表2.2
a——保温时间系数(一般取1.2~1.5之间值
D——工件有效厚度
该公式是淬火加热、保温时间经验公式,当工件形状简单时,采用到温入炉加热,即公式计算出的时间为保温时间。由于工件是渗碳后直接淬火,该公式计算的保温时间依然适用。
4.5 冷却方式
淬火冷却方式为油冷。
4.6 淬火方式
单液油淬
淬火油:L-AN46全损耗系统油(40号机械淬火油
淬入方式:垂直淬入,大的部分先淬入。淬入油后上下运动,再配合适当横向移动以提高工件的冷却速度。
4.7 淬火后的组织
渗碳淬火后齿轮由表面至心部的组织依次为:马氏体+碳化物(少量+残余奥氏体→马氏体+残余奥氏体→马氏体→低碳马氏体(心部。
a 节圆
b 齿顶
c 心部
图4.1 淬火后各部分的组织
4.8 淬火后的硬度
20CrMnTi轴经过渗碳处理表面W(C>0.8%时得到高碳马氏体+碳化物+残余奥氏体,具有高的硬度,硬度高达60~66HRC,心部得到马氏体+残余奥氏体,硬度在35~45HRC,经过回火处理后可以满足零件的性能要求。
淬火工艺曲线见图4.2。
图4.2 淬火工艺曲线
5.20CrMnTi齿轮低温回火处理工艺
5.1 回火目的
低碳钢采取回火时可以使马氏体分解,析出碳化物转变成回火马氏体,淬火内应力得到部分消除,淬火时得到的微裂纹也得到大部分的愈合,因此低温回火可以在很少降低硬度的情况下使钢的韧性得到显著地提高,并提高钢的强度、耐磨性,使轴和齿轮部分得到优异的机械性能。并且可以稳定组织,使工件在适用过程中不发生组织转变,降低或消除淬火内应力,以减少工件的变形并防止开裂,从而保证工件的尺寸、形状不变。
5.2 回火设备
回火设备选用和正火处理相同的RX3箱式电炉。
5.3 回火温度
由于渗碳钢零件表面要求具有很高的硬度,耐磨性,同时要求心部具有较好的塑韧性。因此低温回火可以满足性能要求,故选择低温回火,且工件适中,温度t:150~250℃。
5.4 加热方式
用空气电阻炉采取到温加热的方式,可以减少工件加热时间,回火后硬度下降较小。即加热到200℃将工件放入电阻炉。
5.5 加热介质
加热介质:空气
5.6 保温时间
依据:工件有效厚度40mm,合金钢应按空气回火炉温表(表5.1,增加所列时间的1/3保温时间。
表5.1 空气回火炉保温时间表
有效厚度/mm ≤2020~40 40~60 60~80 80~100
保温时间/min 30~60 60~90 90~120 120~150 150~180 5.7 冷却方式
出炉空冷。
5.8 回火组织
表面:回火马氏体+碳化物+残余奥氏体;
心部:回火马氏体+残余奥氏体。
a硬度
表面硬度58~62HRC,心部硬度30~45HRC。
b回火工艺曲线
回火处理工艺曲线见图5.1。
20CrMnTi 齿轮钢的热处理工艺 试验分析部 袁红昆 图 5.1 回火处理工艺曲线 6. 热处理工艺的检验 6.1 实验设备的选择 1 实验力保持时间 6~99s，可设置；测试硬度范围 20~70HRC。 2 金相显微镜 HR-F 洛氏硬度计。 主要参数： 实验力： 1500N； 压头类型： 金刚石圆锥 120°； 6.2 检验项目和具体操作 1 检验内容 a 外观检验：渗碳工件表面不得有氧化皮、碰伤及裂纹等缺陷。 b 渗层深度检验：渗层深度检验通常采用金相测定法对试块进行测定，如 结果出现争议需采用硬度法检验作为仲裁手段。 c 硬度检验：包括工件的表面和心部的硬度检验。 d 显微组织检验：主要有渗碳组织和心部组织的检验。渗层组织有马氏体 的粗细，碳化物的形状、大小、数量和分布，残余奥氏体的数量；心部 组织检验主要检验游离铁素体的数量、大小和分布。渗层的主要组织为 细针状马氏体、少量的残余奥氏体和数量不多、均匀分布的细小粒状碳 化物。马氏体和残余奥氏体 1~5 级为合格；碳化物 1~6 级为合格，受冲 击载荷的工件 1~5 级为合格。 e 畸变：按图样技术要求或工艺规定进行检验。 2 具体操作 a 硬度的检验：选取三点进行硬度测试，根据原理 HB=F/S（淬火钢球） ， 用硬度实验测试。 b 力学性能检测：利用实验仪器进行抗拉强度和屈服强度的测试。 c 进行组织检验（GB/T 13298—91 金属显微组织检验方法） 试样制备：选取试样横截面切取，横截面在砂纸上由粗至细进行打磨后 进行抛光。4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀，用酒精清洗后吹干。 试样观察：在金相显微镜下进行观察试样的金相组织。 7. 常见缺陷及防止办法（表 7.1） 20CrMnTi 钢热处理常见缺陷及防止办法参考表 7.1 11
20CrMnTi 齿轮钢的热处理工艺 试验分析部 袁红昆 常见缺陷 产生原因 表面渗层浓度高 防止办法 严格控制加热温度和速度， 尽量均 匀加热； 严格控制渗碳工艺过程； 选
择合适的冷却速度； 检查钢材成分是否存在偏析。 选择合适的淬火温度 正确的选择合适的冷却介质 选择合适的加热温度和加热方法 将工件放置在炉膛中央 指定正确的正火、淬火规范，使碳 化物充分溶解 冷却操作要迅速、正确 渗碳剂选择正确， 渗碳操作规范准 确 指定正确的淬火方式 选择合适的淬火介质， 正确淬火操 作规范 选择正确的淬火加热温度 渗碳后表面出现裂纹 渗层浓度梯度不好 冷却速度不合适 钢材本身枝晶偏析严重 心部硬度不够 淬火温度不够 冷去速度不够 渗碳时温度不够 渗层不均匀 工件放置的位置错误 淬火温度低或保温时间不够 碳化物出现网状分布 淬火冷却过程慢 渗层浓度过高 淬火方式错误 淬火后变形 淬火冷却速度过大 淬火加热温度过高 12
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