一次淬火與二次淬火表面硬度均難達標，經改進工藝后...
20Cr2Ni4A鋼Cr、Ni含量特別高，淬透性好，具有良好的綜合力學性能，一般用于制造重要零件，如重載、大模數齒輪。齒輪示意如圖1所示。技術要求：齒輪材料為20Cr2Ni4A，應符合GB3077《合金結構鋼技術條件》的要求；滲碳層深1.6～2.2mm；表面硬度58～62HRC，心部硬度34～45HRC；金相組織符合國家與行業(yè)相關標準。
1.傳統(tǒng)的滲碳淬火工藝
齒輪坯料為鍛坯，該種鋼制造齒輪我公司以往采用傳統(tǒng)的熱處理工藝有一次淬火與兩次淬火兩種工藝。
（1）一次淬火工藝
預備熱處理采用粗車后調質（調質工藝淬火溫度提高）+退火處理。退火的目的主要是考慮機加工。滲碳淬火工藝路線：滲碳+緩冷+高溫回火+淬火+二次低溫回火，具體滲碳淬火工藝曲線，圖2為滲碳工序，圖3為淬火工序。
（2）二次淬火工藝
預備熱處理采用粗車后正火+退火處理。滲碳淬火工藝路線：滲碳+降溫淬火+高溫回火+淬火+二次低溫回火，具體滲碳淬火工藝曲線如下，圖4為滲碳工藝，圖5為淬火工藝。
（3）存在問題
一次淬火工藝后產品硬度55~58HRC，約50%產品需冷凍處理；二次淬火工藝產品淬火后硬度53~56HRC，均需冷凍處理。淬火后冷處理，雖硬度能滿足技術要求，但冷處理過程中殘留奧氏體瞬間轉換成馬氏體，脆性比較大，易產生裂紋，風險較大，淬火后必須做強化噴丸處理，成本較高。同時，目前有些用戶該種材料齒輪明確要求淬火后不允許冷凍處理。為了解決該問題，我們通過反復試驗，最終通過采取一次淬火工藝改變淬火末冷卻方式解決了這一難題。
2.改進后的熱處理工藝
為了節(jié)省成本，我公司針對一次淬火工藝進行了改進。因公司滲碳淬火爐有箱式多功能爐與井式滲碳淬火爐兩種，為了滿足生產需要，我們分別在該兩種滲碳淬火爐進行了試驗。具體方案如下：
（1）箱式多功能爐淬火改進工藝方案
主要改進點為入油淬火后及時出油，在前室通氮氣加速冷卻。箱式多功能爐屬自動控制設備，淬火后氮氣閥自動關閉，通過我公司的設備改造，實現了淬火后前室通氮氣的功能。具體滲碳淬火工藝曲線如圖6（滲碳）、圖7（淬火）所示。
（2）井式滲碳淬火爐淬火改進工藝方案
主要改進點為入油淬火后及時出油，瀝油5min后水冷20min，具體滲碳淬火工藝曲線如圖8（滲碳）、圖9（淬火）所示。
（3）改進前、后的效果
按上述改進前、后的四種熱處理工藝方案進行試驗，試驗過程中對隨爐試棒（試棒φ25mm×100mm）及產品本體進行硬度檢測。檢測結果附表所示。
四種滲碳、淬火工藝產品表面硬度（HRC）
試棒 | 齒輪 | |||||||
傳統(tǒng)工藝1 | 55.1 | 56.4 | 55.8 | 57.6 | 55.9 | 57.8 | 55.3 | 55.8 |
傳統(tǒng)工藝2 | 53.3 | 54.5 | 53 | 55.8 | 54.2 | 53 | 53.6 | 55.7 |
改進后工藝1 | 59.6 | 60.4 | 61 | 61.9 | 60.8 | 61.5 | 59.7 | 60.2 |
改進后工藝2 | 58.3 | 58.7 | 59.6 | 60 | 58 | 58.5 | 58.5 | 59 |
試驗結果表明，采用改進后的1、2種方案，齒輪質量較穩(wěn)定，表面硬度58.3～61.9HRC，心部硬度39～41HRC，滲碳層深2.0mm，馬氏體2級，殘留奧氏體2級，碳化物3級，心部組織2級，心部為板條狀馬氏體加少了鐵素體，變形小，均能滿足技術要求。
3.工藝分析
20Cr2Ni4a鋼熱處理，須采用特殊的熱處理工藝，即通過高溫回火消除殘留奧氏體，使馬氏體和殘留奧氏體分解為回火索氏體，降低滲碳中鉻、碳的含量，重新加熱淬火加熱時，由于奧氏體中溶入的鉻、碳等含量減小，穩(wěn)定性降低，淬火后殘留奧氏體減小，淬火后通氮氣或入水加速冷卻，使淬火后部分殘留奧氏體轉換成馬氏體，從而增加產品表面硬度。
在滲碳層的深度和碳濃度符合要求后，選擇恰當的淬火溫度，可得到更好的機械性能，提高齒輪的使用壽命。由于20Cr2Ni4A鋼臨界點Ac1和Ac3之間溫度范圍內，Ac3為780℃，故可選擇820℃溫度淬火，即可保證表面及心部硬度，同時減小齒輪熱處理變形。
經試驗表明，老工藝一次淬火工藝：淬火進行金相組織檢查發(fā)現殘留奧氏體較多，致使表面硬度較低55～58HRC；老工藝兩次淬火工藝：滲碳后冷卻到850℃直接淬火后，進行金相組織檢查殘留奧氏體仍較多一般在4~5級，碳化物3~4級，經第二次淬火后金相組織檢查殘留奧氏體一般在4~5級，碳化物2~3，硬度更低在53～56HRC。新工藝淬火后，經金相組織檢查發(fā)現殘留奧氏一般在2~3級，碳化物3~4級。因此新工藝淬火后主要是通過減少殘留奧氏體提高產品硬度，同時我們檢驗分析能力水平有限，是否有其他方面的原因需熱處理專家做進一步分析。齒輪裝機運行2年多，運行良好，從未發(fā)生質量事故，得到用戶好評，現已批量生產，獲得滿意的經濟效益和社會效益。
4.結語
（1）20Cr2Ni4A鋼滲碳、淬火后有較多的殘留奧氏體，淬火出油通氮氣或入水，加速了產品冷卻，使淬火后部分殘留奧氏體轉換成馬氏體，從而增加產品表面硬度。
（2）通氮氣量或入水冷卻時間需根據產品結構來調整。
作者：邱永紅、楊利
單位：株洲九洲傳動機械設備有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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