20CrMnTi钢齿轮渗碳质量的控制
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众所周知 ,表面脱碳不仅降低齿轮的耐磨性 ,而 且会使表层出现拉应力 ,这种状态将增大齿裂的倾 向性 。
齿轮理想的应力状态如图 6a 所示 ,若在此状态 下使用齿轮 ,则会形成如图 6b 所示的有利局面 。若 在图 6c 的应力下 ,因齿轮截面上应力分布不平衡 , 将导致齿裂 。
图 7 和表 2 是失效齿轮的残余应力测试部位和
(2) 逆硬化理论 从图 4 曲线可知 ,齿轮表层 硬度低于次表层硬度 。这种逆硬化现象说明[2] ,由 于渗碳炉中水蒸气和二氧化碳对溶入奥氏体中的 钛 、锰和铬表现出较强的亲和力 ,造成这些合金元素 氧化 ,导致合金元素的迁移和碳浓度下降 ,其结果使 表层的淬透性相应地下降 。同时 ,铬等质点又可以 作为非马氏体组织形核的核心 ,促使诸如珠光体 、索 氏体 、贝氏体的形成 。由图 5 可看出其表层是非马 氏体层 ,结果造成淬火软点 。 4. 4 残余应力测定
邮局已在办理 2002 年度报刊收订 ,请新老读者尽快去邮局办理订阅手续 ,本刊邮发代号 :42183 。漏订 期刊者请与本刊编辑部联系补购 。
研究表明[3] ,当残余奥氏体量在 15 %以下 ,且 沿板条马氏体周围呈薄片状分布时 ,对改善材料韧 性有利 ,为此 ,我们采用两次淬火法工艺 。 5. 2 淬火次数的影响
图 8 为渗碳后经两次淬火的显微组织 ,其渗碳 层为细小马氏体和残余奥氏体 ,细粒状碳化物分布 均匀 ,是一种较满意的组织[4] 。这种组织的形成是 先在高温 (900 ℃) 下形成较大的奥氏体晶粒 ,然后在 较低温度 (800～780 ℃) 下奥氏体内碳量减少 ,使淬 火马氏体晶粒细化 ,减少开裂倾向 。这种工艺对高 频淬火来说 ,易于实现 ,效果较好 。
关键词 : 齿轮 ; 渗碳工艺 ; 显微硬度 ; 残余应力
中图分类号 : TH132. 41 ; TG156. 8 + 文献标识码 : B 文章编号 : 100124012 (2001) 1220527204
QUALITY CONTROL OF CARBURIZED 20CrMnTi GEAR YAO Cheng2yong
·528 ·
图 4 显微硬度曲线图
低于次表层 ,见表 1 。显微镜下观察 ,齿轮表层存在 脱碳 ,这可用自扩散和逆硬化两种理论来解释 。 表 1 剥层含碳量分析( 每层 0. 1mm 切量) w ( %)
层次 含碳量 层次 含碳量 层次 含碳量
1
0. 77
7
0. 71
13
0. 55
2
0. 76
8
火后最好进行喷丸处理 ,一方面给工件预加压应力 , 另一方面除去脱碳层 。
参考文献 :
[1 ] 卢光熙 ,侯增寿. 金属学教程 [M] . 上海 :上海科学技术 出版社 , 1985. 2732274.
[2 ] 王万智 ,唐弄娣. 钢的渗碳 [ M ] . 北京 : 机械工业出版 社 , 1985. 131.
·527 ·
要承勇 :20CrMnTi 钢齿轮渗碳质量的控制
图 1 渗层组织 400 × 4 %硝酸酒精溶液侵蚀
图 2 裂纹形貌 400 × 4 %硝酸酒精溶液侵蚀
按 GB/ T4342 - 1991《金属显微维氏硬度试验方 法》标准 ,采用 0. 9807N (0. 1kgf) 载荷 ,保持 15s 的方 法进行显微硬度测试 ,发现不少裂纹两侧的硬度分 别呈正弦波形和余弦波形 ,直到一定深度才趋于一 致 ,见图 3 。这种现象的机理尚不清楚 ,是否与两侧 具有不同的应力场所致有关 。
0. 70
14
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3
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6
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0. 77
12
0. 58
18
0. 41
(1) 自扩散理论 根据扩散第一定律 ,表层高 碳浓度在高温时 ,可向次表面进行自扩散[1] 。当温 度一定时 ,淬火后 ,高碳位可向心部低碳位扩散 ,使 碳势趋于一致而导致表层脱碳 。
Key words : Gear ; Carburizing process ; Microhardness ; Residual stress
1 引言
齿轮是工程机械的重要基础件之一 ,它的使用 寿命取决于热处理质量 。通过对 GTL Y7500 摊铺机 中某一失效齿轮的金相分析和讨论 ,找出其失效的 原因 ,以便为改进热处理工艺提出依据 ,从而达到对 齿轮渗碳质量的控制 。
(2) 利用此方法可以建立适合各自检验的线性 回归方程 ,以满足生产检验要求 。
(3) 利用此方法也可以建立测试方法比较简单 的力学性能指标 (如硬度 、冲击韧性等) 与测试方法 比较复杂的力学性能指标 (如断裂韧性 KIC ,疲劳极 限 σ- 1等) 之间的回归方程 ,以满足生产检验要求 。
本 刊 启 事
0～1 21 1～2 22 2～3 10 3～4 4 4 以上 3 合计 60
35 36. 7 16. 6 6. 7 5 100
-
-
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57
95
-
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3
5
60
100
4 结论
(1) 线性回归方程 σb = - 23. 364 + 3. 369 ×HB 可以用于非关键零部件材料的 σb 检验 ,这样可以缩 短周期 ,节省人力和物力 。
温度的冲击韧性 。
4 检验结果及讨论
4. 1 渗层组织 按 NJ305 - 1983《渗碳齿轮感应加热淬火金相检
验》标准评定 ,马氏体和残余奥氏体均为 6 级 ,见图 1。 4. 2 裂纹形貌
图 2 是齿轮的裂纹形貌 ,裂纹呈沿晶分布 ,属于 典型的沿晶断裂 。裂纹从表面渗碳区一直延伸到过 渡区 ,有的甚至到心部组织的边缘 。如果裂纹沿着 渗碳层与心部组织交界处径向伸展 ,就会发生断齿 或渗层剥落 。 4. 3 显微硬度
[5 ] 赵连城主编. 金属热处理原理 [M] . 哈尔滨 : 哈尔滨工 业大学出版社 , 1987. 204.
图 9 回火温度与裂纹数和硬度的关系
图 10 三种回火温度下试样的 A KU值
6 结论
(1) 控制渗碳层层深 。鉴于渗碳件破坏层大多 在距表层 0. 5mm 左右 , 所以渗碳层控制在 0. 5 ～ 017mm 为宜 。
图 7 残余应力测试位置示意图
5 热处理工艺对渗碳层的影响
5. 1 淬火温度的影响 观察了大量的失效齿轮 ,其显微组织中出现的
马氏 体 和 残 余 奥 氏 体 晶 粒 都 很 粗 大 ( 见 图 1 和 图
图 8 经两次淬火后的显微组织 400 × 4 %硝酸酒精溶液侵蚀
5. 3 回火工艺的影响 文献[ 5 ] 指出 ,在 200 ℃以下回火 ,由于淬火应
(2) 渗碳后采用两次淬火工艺 ,以获得细小淬 火组织 ,回火工艺为 200 ℃,1h 。
(3) 渗碳齿轮的马氏体和残余奥氏体级别应 < 5 级 ,残余奥氏体量应 < 15 %。
( 4) 根据残余应力测试的理论探讨 ,渗碳钢淬
(上接第 516 页)
表 3 统计结果
误差 ( %) 数量/ 组 所占比例 ( %) 数量/ 组 所占比例 ( %)
第 37 卷第 12 期 2001 年 12 月
质量控制
理化检验2物理分册
PTCA (PART A : PHYSICAL TESTING)
Vol. 37 No. 12 Dec. 2001
20CrMn Ti 钢齿轮渗碳质量的控制
要承勇
(西安筑路机械有限公司质量部 , 西安 710032)
摘 要 : 采用理化测试手段 ,研究了渗碳工艺参数对 20CrMnTi 齿轮的微观组织 、力学性能 、显微 硬度及残余应力的影响 ,分析了影响渗碳层质量的因素 ,提出了控制热处理工艺的方法 。
方向 测试点
残余应力 N·mm - 2
1
+ 304. 78
1
+ 178. 65
2 轴向 3
+ 335. 65
2
+ 287. 73 径向 3
+ 208. 05 + 141. 02
4
+ 288. 31
4
+ 103. 10
5
+ 299. 68
5
- 58. 60
2) 。淬火温度愈高 ,残余奥氏体愈多且大 。当残余 奥氏体量超过 50 %时 , 这种组织能促使裂纹的形 成 。因为在外力作用下 ,这些晶界上的块状残余奥 氏体首先产生塑性变形 ,并在变形早期形成显微裂 纹 ,且裂纹主要在残余奥氏体和马氏体晶界发生 ,并 出现大量晶间断裂 。事实上 ,凡降低淬火钢 Ms 点 的合金元素都会引起残余奥氏体量的增加 ,特别是 铬和锰的作用尤为显著 。
(2) 用631型显微硬度计测定渗碳层 、脱碳层
收稿日期 :2001204224
及硬度沿层深分布状态 。 (3) 作剥层分析 ,检查从表面到心部的含碳量
变化梯度 。 (4) 用 MSF2IM 型 X 射线应力仪测定渗碳齿轮
淬火前后的残余应力沿层深分布的情况 。 (5) 用 JB30 型冲击摆锤试验机测定不同回火
2 试验材料和原工艺
齿轮材料为 20CrMnTi 。工艺参数 :920 ℃渗碳 , 渗层为 0. 8～1. 1mm ,齿部于盐炉中 800 ℃淬火 ,油 冷 ,180 ℃回火 ,保温 1h ,空冷 。
3 测试手段及目的
(1) 用 XJL202 金相显微镜观察裂纹形貌及显微 组织 , 评 定 马 氏 体 、残 余 奥 氏 体 和 心 部 铁 素 体 的 级别 。
(Xi′an Road Construction Machinery Company Ltd , Xi′an 710032 , China)
Abstract : The influence of carburizing process parameters on the microstructure , mechanical properties , microhardness
[3 ] 刘云旭主编. 金属热处理原理 [M] . 北京 : 机械工业出 版社 , 1986. 2982299.
[4 ] 机械工业系统理化检验协作网 ,理化检验编辑部. 金相 检验[ Z] . 上海 :理化检验2物理编辑部 , 1983. 442.
[5 ] 田荣璋主编. 金属热处理 [M] . 北京 :冶金工业出版社 , 1985. 1882189.
and residual stress of 20CrMnTi gear has heen studied by physical testing and chemical analysis. Various factors influencing the quality of carburized case are discussed , and the methods as how to control the heat treating process have heen put forward.
力的存在 ,回火后 ,钢中裂纹较多 ; 在 200 ℃以上回
·529 ·
要承勇 :20CrMnTi 钢齿轮渗碳质量的控制
火 ,裂纹数较 200 ℃时减少甚微 ;而回火温度 > 400 ℃ 时 ,硬度损失较多 ; 在 200 ℃下回火 ,马氏体中的许 多微裂纹将会溶合而消失 ,见图 9 。我们做了三种 回火温度下的冲击试验 (200 ℃,250 ℃和 300 ℃) ,结 果示于图 10 。由图可见 , 在第一类回火脆性温度 (250 ℃) 下 ,钢的韧性下降较大[6] 。因此 ,渗碳 (高碳 钢) 取 200 ℃回火 ,这样既避免工件开裂又得到所需 硬度 。
图 3 呈正弦 、余弦波形的硬度曲线
对一组轮齿 ,在距裂纹两侧 0. 05～0. 10mm 距 离进行显微硬度测试 ,结果发现 ,大多数齿轮淬火后 在距表层 0. 15～0. 20mm 处硬度低 ,如图 4 所示 。用 与该齿轮同一材料及相同处理工艺条件下的圆试样 进行慢速精车 ,每 0. 1mm 切量为一组 ,共 18 组的 料样进行碳含量测定 。结果表明 ,料样表面含碳量
要承勇 :20CrMnTi 钢齿轮渗碳质量的控制
图 5 表层的非马氏体组织 400 × 4 %硝酸酒精溶液侵蚀
(a)
(b) (c) 图 6 应力对齿轮的影响
结果 。可见该断裂齿轮 98 %处于拉应力状态 。
表 2 残余应力测试部位及结果
方向 测试点
残余应力 N·mm- 2
齿轮理想的应力状态如图 6a 所示 ,若在此状态 下使用齿轮 ,则会形成如图 6b 所示的有利局面 。若 在图 6c 的应力下 ,因齿轮截面上应力分布不平衡 , 将导致齿裂 。
图 7 和表 2 是失效齿轮的残余应力测试部位和
(2) 逆硬化理论 从图 4 曲线可知 ,齿轮表层 硬度低于次表层硬度 。这种逆硬化现象说明[2] ,由 于渗碳炉中水蒸气和二氧化碳对溶入奥氏体中的 钛 、锰和铬表现出较强的亲和力 ,造成这些合金元素 氧化 ,导致合金元素的迁移和碳浓度下降 ,其结果使 表层的淬透性相应地下降 。同时 ,铬等质点又可以 作为非马氏体组织形核的核心 ,促使诸如珠光体 、索 氏体 、贝氏体的形成 。由图 5 可看出其表层是非马 氏体层 ,结果造成淬火软点 。 4. 4 残余应力测定
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研究表明[3] ,当残余奥氏体量在 15 %以下 ,且 沿板条马氏体周围呈薄片状分布时 ,对改善材料韧 性有利 ,为此 ,我们采用两次淬火法工艺 。 5. 2 淬火次数的影响
图 8 为渗碳后经两次淬火的显微组织 ,其渗碳 层为细小马氏体和残余奥氏体 ,细粒状碳化物分布 均匀 ,是一种较满意的组织[4] 。这种组织的形成是 先在高温 (900 ℃) 下形成较大的奥氏体晶粒 ,然后在 较低温度 (800～780 ℃) 下奥氏体内碳量减少 ,使淬 火马氏体晶粒细化 ,减少开裂倾向 。这种工艺对高 频淬火来说 ,易于实现 ,效果较好 。
关键词 : 齿轮 ; 渗碳工艺 ; 显微硬度 ; 残余应力
中图分类号 : TH132. 41 ; TG156. 8 + 文献标识码 : B 文章编号 : 100124012 (2001) 1220527204
QUALITY CONTROL OF CARBURIZED 20CrMnTi GEAR YAO Cheng2yong
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图 4 显微硬度曲线图
低于次表层 ,见表 1 。显微镜下观察 ,齿轮表层存在 脱碳 ,这可用自扩散和逆硬化两种理论来解释 。 表 1 剥层含碳量分析( 每层 0. 1mm 切量) w ( %)
层次 含碳量 层次 含碳量 层次 含碳量
1
0. 77
7
0. 71
13
0. 55
2
0. 76
8
火后最好进行喷丸处理 ,一方面给工件预加压应力 , 另一方面除去脱碳层 。
参考文献 :
[1 ] 卢光熙 ,侯增寿. 金属学教程 [M] . 上海 :上海科学技术 出版社 , 1985. 2732274.
[2 ] 王万智 ,唐弄娣. 钢的渗碳 [ M ] . 北京 : 机械工业出版 社 , 1985. 131.
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要承勇 :20CrMnTi 钢齿轮渗碳质量的控制
图 1 渗层组织 400 × 4 %硝酸酒精溶液侵蚀
图 2 裂纹形貌 400 × 4 %硝酸酒精溶液侵蚀
按 GB/ T4342 - 1991《金属显微维氏硬度试验方 法》标准 ,采用 0. 9807N (0. 1kgf) 载荷 ,保持 15s 的方 法进行显微硬度测试 ,发现不少裂纹两侧的硬度分 别呈正弦波形和余弦波形 ,直到一定深度才趋于一 致 ,见图 3 。这种现象的机理尚不清楚 ,是否与两侧 具有不同的应力场所致有关 。
0. 70
14
0. 51
3
0. 82
9
0. 68
15
0. 48
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0. 82
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0. 77
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0. 41
(1) 自扩散理论 根据扩散第一定律 ,表层高 碳浓度在高温时 ,可向次表面进行自扩散[1] 。当温 度一定时 ,淬火后 ,高碳位可向心部低碳位扩散 ,使 碳势趋于一致而导致表层脱碳 。
Key words : Gear ; Carburizing process ; Microhardness ; Residual stress
1 引言
齿轮是工程机械的重要基础件之一 ,它的使用 寿命取决于热处理质量 。通过对 GTL Y7500 摊铺机 中某一失效齿轮的金相分析和讨论 ,找出其失效的 原因 ,以便为改进热处理工艺提出依据 ,从而达到对 齿轮渗碳质量的控制 。
(2) 利用此方法可以建立适合各自检验的线性 回归方程 ,以满足生产检验要求 。
(3) 利用此方法也可以建立测试方法比较简单 的力学性能指标 (如硬度 、冲击韧性等) 与测试方法 比较复杂的力学性能指标 (如断裂韧性 KIC ,疲劳极 限 σ- 1等) 之间的回归方程 ,以满足生产检验要求 。
本 刊 启 事
0～1 21 1～2 22 2～3 10 3～4 4 4 以上 3 合计 60
35 36. 7 16. 6 6. 7 5 100
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4 结论
(1) 线性回归方程 σb = - 23. 364 + 3. 369 ×HB 可以用于非关键零部件材料的 σb 检验 ,这样可以缩 短周期 ,节省人力和物力 。
温度的冲击韧性 。
4 检验结果及讨论
4. 1 渗层组织 按 NJ305 - 1983《渗碳齿轮感应加热淬火金相检
验》标准评定 ,马氏体和残余奥氏体均为 6 级 ,见图 1。 4. 2 裂纹形貌
图 2 是齿轮的裂纹形貌 ,裂纹呈沿晶分布 ,属于 典型的沿晶断裂 。裂纹从表面渗碳区一直延伸到过 渡区 ,有的甚至到心部组织的边缘 。如果裂纹沿着 渗碳层与心部组织交界处径向伸展 ,就会发生断齿 或渗层剥落 。 4. 3 显微硬度
[5 ] 赵连城主编. 金属热处理原理 [M] . 哈尔滨 : 哈尔滨工 业大学出版社 , 1987. 204.
图 9 回火温度与裂纹数和硬度的关系
图 10 三种回火温度下试样的 A KU值
6 结论
(1) 控制渗碳层层深 。鉴于渗碳件破坏层大多 在距表层 0. 5mm 左右 , 所以渗碳层控制在 0. 5 ～ 017mm 为宜 。
图 7 残余应力测试位置示意图
5 热处理工艺对渗碳层的影响
5. 1 淬火温度的影响 观察了大量的失效齿轮 ,其显微组织中出现的
马氏 体 和 残 余 奥 氏 体 晶 粒 都 很 粗 大 ( 见 图 1 和 图
图 8 经两次淬火后的显微组织 400 × 4 %硝酸酒精溶液侵蚀
5. 3 回火工艺的影响 文献[ 5 ] 指出 ,在 200 ℃以下回火 ,由于淬火应
(2) 渗碳后采用两次淬火工艺 ,以获得细小淬 火组织 ,回火工艺为 200 ℃,1h 。
(3) 渗碳齿轮的马氏体和残余奥氏体级别应 < 5 级 ,残余奥氏体量应 < 15 %。
( 4) 根据残余应力测试的理论探讨 ,渗碳钢淬
(上接第 516 页)
表 3 统计结果
误差 ( %) 数量/ 组 所占比例 ( %) 数量/ 组 所占比例 ( %)
第 37 卷第 12 期 2001 年 12 月
质量控制
理化检验2物理分册
PTCA (PART A : PHYSICAL TESTING)
Vol. 37 No. 12 Dec. 2001
20CrMn Ti 钢齿轮渗碳质量的控制
要承勇
(西安筑路机械有限公司质量部 , 西安 710032)
摘 要 : 采用理化测试手段 ,研究了渗碳工艺参数对 20CrMnTi 齿轮的微观组织 、力学性能 、显微 硬度及残余应力的影响 ,分析了影响渗碳层质量的因素 ,提出了控制热处理工艺的方法 。
方向 测试点
残余应力 N·mm - 2
1
+ 304. 78
1
+ 178. 65
2 轴向 3
+ 335. 65
2
+ 287. 73 径向 3
+ 208. 05 + 141. 02
4
+ 288. 31
4
+ 103. 10
5
+ 299. 68
5
- 58. 60
2) 。淬火温度愈高 ,残余奥氏体愈多且大 。当残余 奥氏体量超过 50 %时 , 这种组织能促使裂纹的形 成 。因为在外力作用下 ,这些晶界上的块状残余奥 氏体首先产生塑性变形 ,并在变形早期形成显微裂 纹 ,且裂纹主要在残余奥氏体和马氏体晶界发生 ,并 出现大量晶间断裂 。事实上 ,凡降低淬火钢 Ms 点 的合金元素都会引起残余奥氏体量的增加 ,特别是 铬和锰的作用尤为显著 。
(2) 用631型显微硬度计测定渗碳层 、脱碳层
收稿日期 :2001204224
及硬度沿层深分布状态 。 (3) 作剥层分析 ,检查从表面到心部的含碳量
变化梯度 。 (4) 用 MSF2IM 型 X 射线应力仪测定渗碳齿轮
淬火前后的残余应力沿层深分布的情况 。 (5) 用 JB30 型冲击摆锤试验机测定不同回火
2 试验材料和原工艺
齿轮材料为 20CrMnTi 。工艺参数 :920 ℃渗碳 , 渗层为 0. 8～1. 1mm ,齿部于盐炉中 800 ℃淬火 ,油 冷 ,180 ℃回火 ,保温 1h ,空冷 。
3 测试手段及目的
(1) 用 XJL202 金相显微镜观察裂纹形貌及显微 组织 , 评 定 马 氏 体 、残 余 奥 氏 体 和 心 部 铁 素 体 的 级别 。
(Xi′an Road Construction Machinery Company Ltd , Xi′an 710032 , China)
Abstract : The influence of carburizing process parameters on the microstructure , mechanical properties , microhardness
[3 ] 刘云旭主编. 金属热处理原理 [M] . 北京 : 机械工业出 版社 , 1986. 2982299.
[4 ] 机械工业系统理化检验协作网 ,理化检验编辑部. 金相 检验[ Z] . 上海 :理化检验2物理编辑部 , 1983. 442.
[5 ] 田荣璋主编. 金属热处理 [M] . 北京 :冶金工业出版社 , 1985. 1882189.
and residual stress of 20CrMnTi gear has heen studied by physical testing and chemical analysis. Various factors influencing the quality of carburized case are discussed , and the methods as how to control the heat treating process have heen put forward.
力的存在 ,回火后 ,钢中裂纹较多 ; 在 200 ℃以上回
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要承勇 :20CrMnTi 钢齿轮渗碳质量的控制
火 ,裂纹数较 200 ℃时减少甚微 ;而回火温度 > 400 ℃ 时 ,硬度损失较多 ; 在 200 ℃下回火 ,马氏体中的许 多微裂纹将会溶合而消失 ,见图 9 。我们做了三种 回火温度下的冲击试验 (200 ℃,250 ℃和 300 ℃) ,结 果示于图 10 。由图可见 , 在第一类回火脆性温度 (250 ℃) 下 ,钢的韧性下降较大[6] 。因此 ,渗碳 (高碳 钢) 取 200 ℃回火 ,这样既避免工件开裂又得到所需 硬度 。
图 3 呈正弦 、余弦波形的硬度曲线
对一组轮齿 ,在距裂纹两侧 0. 05～0. 10mm 距 离进行显微硬度测试 ,结果发现 ,大多数齿轮淬火后 在距表层 0. 15～0. 20mm 处硬度低 ,如图 4 所示 。用 与该齿轮同一材料及相同处理工艺条件下的圆试样 进行慢速精车 ,每 0. 1mm 切量为一组 ,共 18 组的 料样进行碳含量测定 。结果表明 ,料样表面含碳量
要承勇 :20CrMnTi 钢齿轮渗碳质量的控制
图 5 表层的非马氏体组织 400 × 4 %硝酸酒精溶液侵蚀
(a)
(b) (c) 图 6 应力对齿轮的影响
结果 。可见该断裂齿轮 98 %处于拉应力状态 。
表 2 残余应力测试部位及结果
方向 测试点
残余应力 N·mm- 2