17Cr2Ni2Mo钢制齿轮渗碳工艺研究及应用

17Cr2Ni2Mo钢制齿轮渗碳工艺研究及应用
马钢轧机用主减速机是由意大利波梅尼(POMINI)公司设计的。

其减速机齿轮材料选用DIN17CrNiMo6。

其机械性能要求如表1所示。

表2为其热处理技术要求。

表1 马钢减速机齿轮设计要求的机械性能
机械性能σ
s /MPa σ
b
/MPa δ/%Ψ/%A
K
/J
设计要求≥10721200～1447 ≥8≥60100～118 表2 马钢减速机齿轮热处理技术要求
热处理技术要求
渗碳淬火1.有效硬化层深：d=(0.15～0.25)Mn
Mn—法向模数
2.齿面硬度：HRC 58～60
心部硬度：HRC 30～45
3.金相组织：表层马氏体+残余奥氏体1～4级合格
表层碳化物1～3级合格
心部铁素体1～4级合格
齿轮在工作时，既要承受较大的冲击载荷，又要承受交变弯曲应力和接触应力。

因此，齿轮应具有较高的强度、冲击韧性和良好的抗疲劳性能。

当齿轮付啮合时，由于接触点处的压强和摩擦系数均很大，使得接触区处产生严重磨损，因此，齿面必须有很好的耐磨性［1］。

考虑到这些因素，我国在齿轮设计的一般原则中确定齿轮的安全系数应为2.5～3.5。

而按照表1、表2的数据，对该减速机的齿轮进行强度验算，发现其中约有三分之一的齿轮(轴)，安全系数小于2.5。

较低的安全系数降低机器的使用寿命，因此，为保证齿轮正常工作，提高齿轮的使用寿命，需要选择性能适宜的材料，并确定最佳的热处理工艺方案。

1 试验材料及试验方法
试验材料选择17Cr2Ni2Mo钢。

其化学成分见表3。

表3 17Cr2Ni2Mo钢的化学成分
元素 C Ni Cr Mo Mn Si
含量/% 0.14～0.19 1.4～1.7 1.5～1.8 0.25～0.36 0.4～0.6 0.19～0.35
用一端淬火法测定17Cr2Ni2Mo钢的淬透性曲线。

采用气体渗碳法中
的恒温变碳势法进行渗碳。

将渗碳后的试样做机械性能测试及金相组织
观察，机械性能试样为10mm，标距100mm的圆棒试样。

确定最佳热处
理工艺后，进行生产性试验。

2 试验结果与分析
2.1 淬透性
用一端淬火法测得17Cr2Ni2Mo钢的淬透性曲线如图1所示。

图1
中同时示出了我国常用渗碳钢20CrMnMo的淬透性曲线。

可见，
17Cr2Ni2Mo钢的淬透性明显高于20CrMnMo钢。

图1 淬透性曲线
2.2 渗碳
气体渗碳常用方法有三种：一段渗碳法、分段渗碳法和恒温变碳势渗碳法。

经过分析比较，并结合现有的试验设备(可控气氛渗碳炉)，本试验确定采用恒温变碳势方法进行渗碳。

此过程为强渗接扩散，即强渗期采用较高碳势(碳势控制在1.1%～1.4%)，使齿轮表面强烈增碳，造成从齿面到心部较高的碳浓度梯度。

扩散期碳势控制在0.75%～0.85%，此时介质碳势低于齿轮表层碳浓度，扩散期中，齿轮表面碳原子在较高碳浓度梯度作用下，由表向里扩散，另一部分则离开表层进入气体介质中。

扩散期使得渗层深度增加，表层碳浓度降低，浓度梯度下降，强渗期与扩散期的时间长短依据所要求的硬化层深度来控制。

恒温变碳势工艺如图2所示。

图2 恒温变碳势渗碳工艺曲线
2.3 渗碳后热处理
零件渗碳后即进行淬火(油淬)，以提高渗层表面的强度、硬度和耐磨性，同时提高心部的强度和韧性，并细化晶粒［2］。

淬火前进行高温回火，使组织更加均匀，为淬火做好组织上的准备。

渗碳后淬火加热温度的确定原则是，在保证心部获得最佳性能的前提下，尽可能使渗碳层获得高硬度和良好组织。

淬火温度低则心部性能差，而淬火温度高时渗层中易出现粗大马氏体和大量残余奥氏体［3］。

为确定最佳的淬火温度，本试验进行了一组淬火温度与硬度，淬火温度与机械性能的对比试验，其结果见表4，表5。

表4 渗碳后不同温度下淬火的硬度值
加热温度/℃790 810 830 850 880 900
硬度HRC 32 61 64 64 60 57 注：各加热温度下的保温时间均为30min。

表5 渗碳后不同淬火工艺的机械性能
渗碳后热处理σ
s /MPa σ
b
/MPa δ/%Ψ/%Α
K
/J
810℃淬火
200℃回火
790 5 60 102 840℃淬火
200℃回火
1260 1430 8 65 125 860℃淬火
200℃回火
1340 1430 9 63 125 890℃淬火
200℃回火
1335 1430 9 63 115 注：淬火加热保温时间为30min，回火时间为60min。

分析比较表4、表5的结果可确定淬火温度为840℃时，可获得高的
渗层硬度(HRC64)好的机械性能(σ
b ：1430MPa，σ
s
：1260MPa，δ：8%，
Ψ：65%，A
K
：125J)。

为尽可能消除应力，使残余奥氏体最大限度地转化为回火马氏体，除进行一次200℃回火，再加一次190℃回火。

经840℃淬火，两次回火后的金相组织见图3、图4。

图中可见，所获得的渗层组织及心部组织良好，均匀，符合要求。

图3 表层马氏体+残余奥氏体1级碳化物2级
图4 心部铁素体2级
2.4 确定最佳渗碳淬火工艺
综合以上试验结果，17Cr2Ni2Mo钢的最佳渗碳淬火工艺可确定为如图5所示。

其中700℃高温回火是为淬火做组织准备，而二次回火则可最大程度地稳定组织。

图5 17Cr2Ni2Mo钢渗碳淬火工艺曲线
3 生产性试验及试生产
图6为17Cr2Ni2Mo钢制齿轮轴。

按照齿轮的性能和技术要求，齿轮的生产工艺流程可确定为：锻造→正火→粗加工→调质→铣齿→渗碳淬火→磨齿→装配。

其中锻造后正火及粗加工后的调质为预先热处理。

锻后正火的目的是消除锻后应力，正火温度定为890℃。

调质处理则可使钢在渗碳前获得良好的机械性能，以减小渗碳淬火过程中的齿轮变形。

试验中选定的调质工艺为：加热至860℃，保温后油冷，再660℃回火。

图6 齿轮轴
生产性试验时，渗碳前，除齿部外，其余部位均采取防渗措施。

按
图5所示的渗碳淬火工艺进行处理后，齿面硬度为HRC58～60，心部硬
度为HRC33.7～37.5，有效硬化层深度1.6～2.0(mm)，渗层组织及心部
组织如图3、图4所示，机械性能测试结果见表6。

表6 17Cr2Ni2Mo钢制齿轮轴渗碳淬火后的机械性能
4 结论
(1)在齿轮的安全系数较小时，应选用综合性能更好的17Cr2Ni2Mo
钢制造。

(2)17Cr2Ni2Mo钢渗碳后最佳的淬火温度为840℃。

(3)按图5所示的渗碳淬火工艺处理后，17Cr2Ni2Mo钢制齿轮的齿
面硬度为HRC58～60，心部硬度为HRC33.7～37.5，满足设计要求，实现
了该齿轮用钢的国产化。

郭雅萍东北大学材料与冶金学院103 信箱沈阳市110006
作者单位：郭雅萍尹立新李友东北大学
王立斌沈矿集团
参考文献
1 合金钢编写组.合金钢.北京：机械工业出版社，1978：75
2 潘健生.钢铁化学热处理.上海：上海交通大学出版社，1988：92
3 安正昆.钢铁热处理.北京：机械工业出版社，1985：274
1998年9月29日收到稿件
1999年2月2日收到修改稿。