SNCM420H為日本牌號(hào)滲碳鋼，該鋼屬于Cr-Mo系列的高級(jí)齒輪用鋼，大量使用在重載齒輪中。該鋼屬于窄帶高淬透性鋼，滲碳熱處理后變形較小，表面硬度高，耐磨性好，使用壽命高。目前，該種材料滲碳基本采用滲碳加兩次淬火工藝，我公司通過大量工藝試驗(yàn)，在保證使用性能的前提下成功實(shí)現(xiàn)了SNCM420H-K齒輪的滲碳直接淬火，縮短生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率;同時(shí)減少一次淬火工序，減小齒輪的變形，減小后續(xù)齒部磨削時(shí)的磨削量。
依據(jù)我國鋼號(hào)命名規(guī)則，可將SNCM420H-K鋼命名為22CrNi2MoNbH，該鋼屬于保證淬透性鋼，它的化學(xué)成分如表1所示。SNCM420H-K含有較高的Mn、Cr、Ni、Mo，4種合金元素的加入可提高該材料的淬透性、心部的強(qiáng)度，降低了低溫脆性;并且SNCM420H-K添加了微量Nb元素，Nb能與N、C結(jié)合，形成氮化物、碳化物，可顯著提高再結(jié)晶溫度，阻止奧氏體晶粒的長大，從而細(xì)化晶粒，改善材料的性能，使?jié)B碳直接淬火成為可能。
表1 SNCM420H-K化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)
根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)果顯示含Nb的20CrNi2Mo鋼在880℃、900℃、920℃、940℃、960℃溫度下保溫1h后淬水后的奧氏體晶粒度，在880℃、900℃、920℃下該鋼晶粒度沒有明顯變化;在940℃、960℃下該鋼晶粒有較為明顯的長大;在920℃保溫10h后晶粒沒有發(fā)生明顯的長大，晶粒度為8～9級(jí)，由此確定含Nb的20CrNi2Mo鋼的滲碳溫度為920℃，由于SNCM420H-K與含Nb的20CrNi2Mo化學(xué)成分相近，選擇920℃作為SNCM420H-K鋼的滲碳溫度。
1.SNCM420H-K齒輪滲碳二淬火工藝
SNCM420H-K鋼選用東北特鋼生產(chǎn)的Φ200mm圓鋼，化學(xué)成分見表2，齒輪工藝簡圖如圖1所示。該齒輪的滲碳組織要求：節(jié)圓處硬化層要求2.4～3.0mm，齒根處硬化層深度≥1.5mm，心部硬度269～352HBW，馬氏體、殘留奧氏體1～4級(jí)，碳化物1～4級(jí)，表面硬度60～64HRC，晶粒度≥7級(jí)。該齒輪生產(chǎn)路線：下料→鍛造→正火→粗車→精車→滾齒→滲碳→淬火→高溫回火→車螺紋→二次淬火→低溫回火→磨端面→磨齒，滲碳二次淬火工藝曲線如圖2所示。
表2 試驗(yàn)用SNCM420H-K化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)
圖2 SNCM420H-K齒輪滲碳二次淬火工藝 曲線圖
完成低溫回火工序后剖切檢驗(yàn)齒輪。金相組織如圖3所示，齒輪滲碳區(qū)組織為：回火馬氏體+殘留奧氏體1級(jí)，少量碳化物1級(jí)，晶粒度9級(jí)。心部組織為：回火索氏體+少量鐵素體，晶粒度8級(jí);心部硬度278～339HBW，滿足工藝要求。
圖3
低溫回火后檢測齒輪軸的徑向圓跳動(dòng)值，并與滲碳前進(jìn)行對(duì)比，得出滲碳二次淬火的變形量，變形量數(shù)據(jù)如表3所示，平均變形量約漲大0.044mm，淬火后漲大變形增加了后工序磨齒的磨削量。
表3 SNCM420H-K齒輪滲碳二次淬火變形量
2.SNCM420H-K滲碳直接淬火工藝
根據(jù)滲碳直接淬火工藝，調(diào)整工藝路線、工藝參數(shù)及相關(guān)生產(chǎn)過程，工藝路線調(diào)整結(jié)果：生產(chǎn)路線為下料→鍛造→正火→粗車→精車→滾齒→車螺紋→滲碳→淬火→低溫回火→磨端面→磨齒，滲碳直接淬火工藝曲線如圖4所示。
完成低溫回火工序后，剖檢滲碳直接淬火齒輪，滲碳區(qū)組織：回火馬氏體+殘留奧氏體1級(jí)+碳化物2級(jí)，晶粒度9級(jí)。心部：回火索氏體+少量鐵素體，晶粒度9級(jí)，心部硬度297～373HBW。將SNCM420H-K滲碳直接淬火齒輪與SNCM420H-K二次淬火齒輪的金相組織對(duì)比可看出，兩者基本相當(dāng)，心部硬度稍有提高，由此可判斷，滲碳直接淬火對(duì)SNCM420H-K鋼滲碳組織影響不大，可使用滲碳直接淬火工藝取代滲碳二次淬火。
圖5
低溫回火后檢測齒輪的徑向跳動(dòng)值，并與滲碳前進(jìn)行對(duì)比，得出滲碳直接淬火變形量結(jié)果，部分變形量如表4所示，平均變形量約漲大0.03mm，較滲碳二次淬火工藝變形量減小0.014mm，齒輪變形減小32%，畸變率大大減小。因此，減小一次淬火過程能夠有效的減小淬火變形，減小了后續(xù)磨削量，降低生產(chǎn)成本，并且取消一次淬火工序，節(jié)約了能源。
表4 SNCM420H-K齒輪軸滲碳二次淬火變形量
3.結(jié)語
SNCM420H-K鋼滲碳直接淬火組織與傳統(tǒng)滲碳二次淬火工藝組織基本相當(dāng)，但減少一次淬火工序可較大的減小齒輪軸的變形量，減小磨削量，降低能耗，節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。經(jīng)多年驗(yàn)證，我公司生產(chǎn)的SNCM420H-K滲碳直接淬火齒輪在使用過程中未出現(xiàn)任何異常問題。
依據(jù)我國鋼號(hào)命名規(guī)則，可將SNCM420H-K鋼命名為22CrNi2MoNbH，該鋼屬于保證淬透性鋼，它的化學(xué)成分如表1所示。SNCM420H-K含有較高的Mn、Cr、Ni、Mo，4種合金元素的加入可提高該材料的淬透性、心部的強(qiáng)度，降低了低溫脆性;并且SNCM420H-K添加了微量Nb元素，Nb能與N、C結(jié)合，形成氮化物、碳化物，可顯著提高再結(jié)晶溫度，阻止奧氏體晶粒的長大，從而細(xì)化晶粒，改善材料的性能，使?jié)B碳直接淬火成為可能。
表1 SNCM420H-K化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)
根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)果顯示含Nb的20CrNi2Mo鋼在880℃、900℃、920℃、940℃、960℃溫度下保溫1h后淬水后的奧氏體晶粒度，在880℃、900℃、920℃下該鋼晶粒度沒有明顯變化;在940℃、960℃下該鋼晶粒有較為明顯的長大;在920℃保溫10h后晶粒沒有發(fā)生明顯的長大，晶粒度為8～9級(jí)，由此確定含Nb的20CrNi2Mo鋼的滲碳溫度為920℃，由于SNCM420H-K與含Nb的20CrNi2Mo化學(xué)成分相近，選擇920℃作為SNCM420H-K鋼的滲碳溫度。
1.SNCM420H-K齒輪滲碳二淬火工藝
SNCM420H-K鋼選用東北特鋼生產(chǎn)的Φ200mm圓鋼，化學(xué)成分見表2，齒輪工藝簡圖如圖1所示。該齒輪的滲碳組織要求：節(jié)圓處硬化層要求2.4～3.0mm，齒根處硬化層深度≥1.5mm，心部硬度269～352HBW，馬氏體、殘留奧氏體1～4級(jí)，碳化物1～4級(jí)，表面硬度60～64HRC，晶粒度≥7級(jí)。該齒輪生產(chǎn)路線：下料→鍛造→正火→粗車→精車→滾齒→滲碳→淬火→高溫回火→車螺紋→二次淬火→低溫回火→磨端面→磨齒，滲碳二次淬火工藝曲線如圖2所示。
圖1 齒輪工藝簡圖
表2 試驗(yàn)用SNCM420H-K化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)
圖2 SNCM420H-K齒輪滲碳二次淬火工藝 曲線圖
完成低溫回火工序后剖切檢驗(yàn)齒輪。金相組織如圖3所示，齒輪滲碳區(qū)組織為：回火馬氏體+殘留奧氏體1級(jí)，少量碳化物1級(jí)，晶粒度9級(jí)。心部組織為：回火索氏體+少量鐵素體，晶粒度8級(jí);心部硬度278～339HBW，滿足工藝要求。
圖3
低溫回火后檢測齒輪軸的徑向圓跳動(dòng)值，并與滲碳前進(jìn)行對(duì)比，得出滲碳二次淬火的變形量，變形量數(shù)據(jù)如表3所示，平均變形量約漲大0.044mm，淬火后漲大變形增加了后工序磨齒的磨削量。
表3 SNCM420H-K齒輪滲碳二次淬火變形量
2.SNCM420H-K滲碳直接淬火工藝
根據(jù)滲碳直接淬火工藝，調(diào)整工藝路線、工藝參數(shù)及相關(guān)生產(chǎn)過程，工藝路線調(diào)整結(jié)果：生產(chǎn)路線為下料→鍛造→正火→粗車→精車→滾齒→車螺紋→滲碳→淬火→低溫回火→磨端面→磨齒，滲碳直接淬火工藝曲線如圖4所示。
圖4 SNCM420H-K齒輪滲碳直接淬火工藝曲線圖
完成低溫回火工序后，剖檢滲碳直接淬火齒輪，滲碳區(qū)組織：回火馬氏體+殘留奧氏體1級(jí)+碳化物2級(jí)，晶粒度9級(jí)。心部：回火索氏體+少量鐵素體，晶粒度9級(jí)，心部硬度297～373HBW。將SNCM420H-K滲碳直接淬火齒輪與SNCM420H-K二次淬火齒輪的金相組織對(duì)比可看出，兩者基本相當(dāng)，心部硬度稍有提高，由此可判斷，滲碳直接淬火對(duì)SNCM420H-K鋼滲碳組織影響不大，可使用滲碳直接淬火工藝取代滲碳二次淬火。
圖5
低溫回火后檢測齒輪的徑向跳動(dòng)值，并與滲碳前進(jìn)行對(duì)比，得出滲碳直接淬火變形量結(jié)果，部分變形量如表4所示，平均變形量約漲大0.03mm，較滲碳二次淬火工藝變形量減小0.014mm，齒輪變形減小32%，畸變率大大減小。因此，減小一次淬火過程能夠有效的減小淬火變形，減小了后續(xù)磨削量，降低生產(chǎn)成本，并且取消一次淬火工序，節(jié)約了能源。
表4 SNCM420H-K齒輪軸滲碳二次淬火變形量
3.結(jié)語
SNCM420H-K鋼滲碳直接淬火組織與傳統(tǒng)滲碳二次淬火工藝組織基本相當(dāng)，但減少一次淬火工序可較大的減小齒輪軸的變形量，減小磨削量，降低能耗，節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。經(jīng)多年驗(yàn)證，我公司生產(chǎn)的SNCM420H-K滲碳直接淬火齒輪在使用過程中未出現(xiàn)任何異常問題。