渗碳对17CrNiMo6钢大截面齿轮轴锻件的硬度影响研究

权国辉，张海英

(郑州职业技术学院 材料科学与工程系，河南 郑州 450121)

大型锻件产品是电力、冶金、石化、造船、铁路、矿山、航空航天、军工、工程等装备的基础部件，是产业链上不可缺少的重要一环，其发展水平是衡量一个国家综合实力的重要标志[1-2]。某厂生产的17CrNiMo6大截面齿轮轴是球磨机传动系统的重要组成部分，其生产过程一般为冶炼、锻造、渗碳、淬回火等。

渗碳处理是对金属表面处理的一种常用方法，一般应用于低碳钢和低碳合金钢。经过渗碳处理后的工件表面的化学成分类似于高碳钢，而工件的心部依然保持着低碳钢的特性。工件经过渗碳处理之后，一般还要进行调质处理或者淬火回火等工艺，让金属能够具有良好的强度、较高的表面硬度及抗疲劳强度[3]。由于17CrNiMo6钢齿轮轴基体含碳量一般为0.17%～0.20%，属低碳钢，所以通过渗碳工艺可使齿部表面1～10 mm转变为高碳钢，齿面硬度达到57～61 HRC，芯部硬度达到34～38 HRC，从而使齿轮轴齿部表面可获得较好的强度、硬度、耐磨性，以提高啮合的寿命，而芯部仍保留良好的韧性，以满足传动等需求。

经渗碳处理后的齿轮轴锻件整体具有较高的硬度、抗疲劳性能，并能承受较大的冲击载荷，在工业上得到广泛的应用[4-5]。但是由于齿轮轴工作状况十分复杂，使用中易发生磨损、断裂等问题，且维修占用工时多、停车次数多、时间长，给生产造成严重的影响[6]。硬度问题是17CrNiMo6钢齿轮轴渗碳件的主要问题，主要表现为齿面硬度值偏低，使其抗剪切强度和抗疲劳性能下降，在使用过程中易造成齿面表层产生疲劳裂纹，不仅明显影响了热处理的品质，还对齿轮的使用留下隐患。因此，提高17CrNiMo6钢齿轮轴渗碳件硬度，对于提高其使用寿命和质量控制水平具有重要意义。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验材料为φ142 mm×330 mm的17CrNiMo6钢齿轮轴3个。经取样进行化学成分分析，其主要化学成分如表1所示，可看出，材料化学成分符合该厂生产大截面齿轮轴指定专用材料17CrNiMo6钢的成分要求。

表1 试验用17CrNiMo6钢锭化学成分(质量分数，%)

1.2 试验方法

17CrNiMo6钢齿轮轴锻件采用液体渗碳，渗剂为异丙醇，保护气体为氮气、甲醇，渗碳温度为930 ℃。齿轮轴锻件渗碳后碳浓度显著提高，但渗碳后的空冷使渗碳层产生大量的残余奥氏体，弱化了齿轮轴表面的硬度。因此，本试验采用渗碳后的深冷处理、增加回火次数、提高回火温度等方法来减少残余奥氏体，以提高产品强度和硬度。

1.2.1深冷处理减少残余奥氏体

在渗碳后，淬火刚刚完成还未进行回火时，采用表面敷干冰的方法对齿轮轴试样做深冷处理，如图1所示。再对试样齿轮轴做深冷前后硬度对比试验。

1.2.2提高回火温度减少残余奥氏体

在渗碳后的回火工艺中，通过提高回火温度减少残余奥氏体。回火工艺调整前，齿轮轴采用低温回火工艺为180 ℃回火三次，硬度达不到要求。工艺调整后后，采用200 ℃回火两次，200～230 ℃一次。再对试样齿轮轴做工艺调整前后硬度对比试验。

图1 渗碳齿轮轴敷干冰深冷处理Fig.1 Deep cold treatment by covering dry ice on the surface of carburizing gear shaft

2 试验结果及分析

2.1 深冷处理后硬度值升高

在不同状态下对试样齿轮轴做深冷前后硬度对比试验，经里氏硬度计测量齿顶圆硬度。结果表明，齿轮轴经淬火后深冷，硬度明显增高，如表2所示。通过深冷处理使残余奥氏体继续向马氏体转变，一般用在刚刚淬火完成还未进行回火时，目的一是使奥氏体继续转化为马氏体；二是稳定残余奥氏体，回火处理时残余奥氏体分解。

2.2 提高回火温度后硬度值升高

由于200～300 ℃回火区间，是马氏体分解和残余奥氏体转变为下贝氏体和回火马氏体综合作用区间，所以200 ℃两次回火+230 ℃一次回火后，残余奥氏体向马氏体转变使回火应力减小。试样齿轮轴提高回火温度后硬度提高，见表3。

表2 试样齿轮轴深冷前后硬度对比

表3 试样齿轮轴提高回火温度前后硬度对比

3 结论

1)在渗碳后，对17CrNiMo6钢齿轮轴做深冷处理，可以提高其硬度值。

2)提高回火温度，增加回火次数，可以提高17CrNiMo6钢齿轮轴硬度值。