ZG35NiCrMo大齒輪熱處理工藝研究

1、HEAVYCASTINGANDFORGINGZG35NiCrMo大齒輪熱處理工藝研究周星云 劉艷斌 趙智宇(沈陽鑄鍛工業(yè)有限公司熱處理公司,遼寧110142)摘要:通過投制基爾試棒及模擬試驗件進行了大齒輪的熱處理工藝模擬,為制定大齒輪的熱處理工藝方案提供了依據(jù)。在控制好各項參數(shù)的條件下,可以采用水-空-水的交替冷卻方式使齒輪達到力學性能和硬度的要求。關鍵詞:ZG35NiCrMo;大齒輪;熱處理;工藝中圖分類號:TG162.73 文獻標識碼:BTechnologicalStudyontheHeatTreatmentofZG35NiCrMoBigGearWheelsZhouXingyun,LiuY

2、anbin,ZhaoZhiyuKeywords:ZG35NiCrMo;biggearwheels;heattreatment;process大齒輪是球磨機上的關鍵部件,要求具有良好的綜合力學性能及齒面耐磨性能,以保證球磨機穩(wěn)定運行。當冶煉、澆注等冶金因素確定之后,金相組織就成為工件力學性能的決定性影響因素,而化學成分和熱處理制度對于工件各部位金相組織的形成又是至關重要的。不同的熱處理方式、不同的熱處理參數(shù),對材料的力學性能都有不同的影響,從而影響零件的使用性能、使用壽命和失效方式。因此有必要對大齒輪的熱處理性能和熱處理方式進行試驗研究,以便確定最佳的大齒輪的熱處理工藝。1 零件尺寸和技術要求該

3、零件應用在MQY5067溢流型球磨機上。材料為ZG35NiCrMo,直徑達Á7380mm,技術要求為:齒面硬度260300HBW,力學性能Re660MPa、Rm830MPa、A14%、Z30%,AkV38.6J。2 工藝試驗試驗方式是通過投制基爾試棒及試塊模擬試驗件進行工藝模擬,在不同的熱處理制度下進行材料性能、齒面硬度及淬透性試驗,獲得一系列的試驗數(shù)據(jù),為制定最佳大齒輪的熱處理工藝方案提供依據(jù)。最終保證大齒輪材料既能達到上述力學性能要求,又不會產(chǎn)生開裂和較大的變形。隨件鑄基爾試棒兩爐共14件,化學成分見表1。半齒輪試塊淬火和回火加熱設備用4.5kW電爐。2.1 正火后不同的回火溫度

4、對性能及金相組織的影響正火工藝為860?10e/3h,空冷。采取不同的回火工藝后,其性能及金相組織見表2。表1 試棒化學成分(質(zhì)量分數(shù),%)Table1 Thechemicalcompositionoftestbars(massfraction,%)爐號C收稿日期:2010)05)25作者簡介:周星云(1978),男,工程師。主要從事熱處理工藝研究與設計工作。劉艷斌(1962),女,工程師。主要從事熱處理工藝研究與設計工作。5大型鑄鍛件6September20102.2 淬火冷卻介質(zhì)采用油冷,不同的回火溫度對材料性能及金相組織的影響淬火工藝為860?10e,油冷。采取不同的回火工藝后,其性能和

5、金相組織見表3。2.3 淬火冷卻介質(zhì)采用熱水冷卻,不同的回火溫度對材料性能及金相組織的影響淬火工藝為860?10e,水冷,水溫5070e。采取不同的回火工藝后,其性能及金相組織見表4。3 試驗件的齒面硬度及淬透性試驗3.1 試驗件及試驗用設備試驗件外形模仿實際大齒輪,其有效截面與實際大齒輪有效截面相同,見圖1,化學成分見表5。試驗件加工路線主要參照半齒輪工藝進行:鑄造y鑄后正火熱處理y粗加工y調(diào)質(zhì)y解剖分析齒面淬透性。表2 不同回火工藝后的力學性能及金相組織Table2 Themechanicalpropertiesandmetallographicstructureatdifferentte

6、mperingtemperature回火工藝560?10e/4h,空冷580?10e/3h,空冷Re/MPaRm/MPaA5(%)6205908858551315Z(%)3336AkV/J33 31 4334 34 49HBW255255晶粒度7級7級金相組織鐵素體+回火索氏體+索氏體鐵素體+回火索氏體+索氏體表3 不同回火工藝后的力學性能及金相組織Table3 Themechanicalpropertiesandmetallographicstructureatdifferenttemperingtemperature回火工藝560?10e/3h,空冷580?10e/3h,空冷600?10e

7、/3h,空冷Re/MPa1080920895A5(%)121314Z(%)303234AkV/J41 40 3744 47 5149 50 54HBW359320309晶粒度7級7級7級金相組織回火索氏體回火索氏體回火索氏體表4 不同回火后的力學性能性能及金相組織Table4 Themechanicalpropertiesandmetallographicstructureatdifferenttemperingtemperature回火工藝600?10e/3h,空冷620?10e/3h,空冷Re/MPa880840Rm/MPa985950A5(%)1516Z(%)4852AkV/J54 47

8、 5756 61 64HBW288275晶粒度7級7級金相組織回火索氏體回火索氏體圖1 試驗件簡圖Figure1 Thetestpiecesketch表5 試棒化學成分(質(zhì)量分數(shù),%)Table5 Thechemicalcompositionoftestbars(massfraction,%)C檢驗PSCr試驗件鑄造后進行鑄后正火處理,其工藝參數(shù)為:加熱到870e,保溫2h,吊出爐外空冷。處理后硬度為315HBW。試驗件調(diào)質(zhì)用加熱設備為75kW電爐。由于公司無足夠大的淬火油槽,確定用熱水作為調(diào)HEAVYCASTINGANDFORGING質(zhì)工藝的淬火介質(zhì),并根據(jù)半齒輪粗加工后實際有效截面的尺寸,

9、估算出熱水狀態(tài)下的水-空-水間歇淬火冷卻次數(shù)和時間。為了達到模擬試驗的目的,試驗件淬火介質(zhì)也用熱水,冷卻設備用井式水池。3.2 熱處理工藝參數(shù)的制定由于試驗是模仿實際半齒輪的生產(chǎn),所以在制定工藝參數(shù)及質(zhì)量控制方面都要按實際生產(chǎn)情況來考慮。制定出試驗件符合半齒輪調(diào)質(zhì)生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制方法和措施,如原始組織應為正回火狀態(tài),若為退火態(tài)要補作正火熱處理,以改善原始組織。此外,對裝爐方式、爐膛溫度、試驗件溫度、冷卻水溫度等實時監(jiān)控,用鎧裝熱電偶對試驗件實際溫度進行實時監(jiān)控。為了確保淬火水冷后不開裂,將淬火槽內(nèi)冷卻水先淬其它件,使水溫達到5070e,然后再淬試驗件,工藝曲線見圖2。圖2半齒輪試塊調(diào)質(zhì)工

10、藝Figure2 Thequenchingandtemperingprocesscurveofthehalfgeartestpiece3.3 淬透性及淬硬性對半齒輪來說,如淬透性不足,淬火后就不能獲得足夠厚度的淬硬層,不能獲得足夠數(shù)量的馬氏體,即使回火后表面硬度合格,銑齒后齒面硬度也達不到要求,尤其是力學性能(如屈服極限、疲勞強度)亦會顯著降低。但如果不對零件進行具體分析,一律要求保證完全淬透,就有可能提高鋼中合金元素含量,導致成本增加,造成浪費。我們對試驗件調(diào)質(zhì)后,檢測了其淬透性、淬硬性、力學性能和金相組織。結果如下:(1)零件表面硬度為295300HBW;(2)將調(diào)質(zhì)后的試驗件沿齒面剖開,

11、檢測其淬透性及淬硬性。從表面至非淬透層的組織分布見圖3,從表面至中心硬度分布情況見圖4。(3)性能試驗結果為:Re730MPa,Rm870MPa,A18%,Z37%,AkV(67,61,63)J。4 試驗結果分析通過對ZG35NiCrMo半齒輪試棒采取不同的淬火介質(zhì)、不同的溫度回火,其性能變化的規(guī)律是:(1)正火回火后由于所得組織中含有鐵素體,所以,強度、硬度、沖擊較低。(a)回火索氏體(b)回火索氏體+貝氏體回火組織(c)貝氏體回火組織+粒狀珠光體(d)體貝氏回火組織+粒狀珠光體圖3 從表面至非淬透層的金相組織Figure3 Themetallographicstructurefromthe

12、surfacetonon-fullhardeninglayer(2)淬火采用油冷后不同溫度回火,隨著回火溫度的升高,零件的強度、硬度降低,塑性和韌性升高。通過選擇合適的淬火溫度和回火溫度可以滿足材料性能要求。(3)淬火采用5070e熱水冷卻后不同溫度回火,隨著回火溫度的升高,零件的強度、硬度降低,塑性和韌性升高,也能滿足材料的性能要求。從ZG35NiCrMo半齒輪模擬試驗件的試驗結果看,實際生產(chǎn)時半齒輪淬火可以用熱水代替油冷,只要成分控制在要求范圍之內(nèi),不論是材料性能還是齒面硬度都能滿足半齒輪的使用要求。同時通過沿齒面硬度的檢測及力學性能試驗,使我們對該材料的淬透性及淬硬性有所了解。5 結語通過此項研究可知,對于大型鑄造合金結構鋼齒輪,在控制好零件加熱溫度、淬火冷卻水溫度、淬火冷卻時間和零件終冷溫度等條件下,可以實現(xiàn)以水-空-水交替冷卻方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的油冷工藝方法,并使大齒輪達到所要求的力學性能和調(diào)質(zhì)硬度。在生產(chǎn)過程中,工藝參數(shù)的控制至關重圖4 硬度分布圖Figure4 Thehardnessdistributionsketch要,如果控制不好就會造