15CrNi3MoA钢热处理工艺探讨.pdf

第 3 O卷第 6期 2 0 0 9年 6月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e r y V0 1 ． 3 0 No ． 6 J u n ．2 0 o 9 1 5 C r N i 3 Mo A钢热处理工艺探讨 姚 国 臣 辽源煤矿机械制造有限责任公司， 吉林 辽源 1 3 6 2 0 1 摘要介绍 1 5 C r N i 3 Mo A钢的热处理性能、 工艺参数、 金相组织、 结构特性、 热处理工艺方法 以及该材料的各项机械性能指标， 可满足采掘机械设备齿轮的技术要求， 进行 了热处理工艺性能试 验和验 证 。 关键词 1 5 C r N i 3 Mo A；工艺参数；金相组织 中图分类号T G 1 6 1 文献标志码A文章编号 1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 0 9 0 6 0 l 1 6 0 3 I n v e s t i g a t i o n o f S t e e l 1 5 C r Ni 3 Mo A He a t Tr e a t me nt Pr o c e s s YAO Gnoc he n L i a o y u a n C o a l Mi n e M a c h i n e r y M a n u f a c t u r i n g C o ． ， L t d ． ，L i a o y u a n 1 3 6 2 0 1 ， C h i n a Abs t r a c t Th e h e a t t r e a t me n t p e r f o r ma n c e，t e c h n o l o g i c a l p a r a me t e r ，me t a l l o g r a p h i c s t r u c t u r e，s t r uc t u r a l c h a r a c t e r i s t i c s a n d me t h o ds o f h e a t t r e a t me n t pr o c e s s o f s t e e l 1 5 Cr Ni 3 Mo A p r o c e s s a s we l l a s t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e ma t e r i a l a r e i n t r o d u c e d，c a n me e t t h e t e c h n i c a l r e q u i r e me n t s o f mi n i ng ma c h i n e ry g e a r，c a r r y o u t t h e p e rfo r ma n c e t e s t a n d a u t h e n t i c a t i o n o f t h e h e a t t r e a t me n t p r o c e s s ． Ke y wo r d s 1 5 Cr Ni 3 Mo A ； p r o c e s s p a r a me t e r s ； me t a l l o g r a p h i c s t ruc t u r e 0前 言 国内外采掘机械设备重载负荷齿轮一般采用 1 8 C r 2 N i 4 WA低碳高合金钢 ， 通过渗碳 、 淬火及冰冷 等热处理工艺方法提高齿轮寿命。由于该钢冷热 加工性能较差 ， 能源消耗大 ， 生产周期长等缺点 ， 近 年来随着齿轮用钢的发展 ， 重载负荷齿轮用钢可采 用 1 5 C r N i 3 Mo A代替 1 8 C r 2 N i 4 WA钢 。在满足重载 负荷齿轮的使用要求基础上 ， 对齿轮用钢提出一些 新的要求 ， 以减少渗碳层表面缺陷， 改善工艺性能 ， 提高齿轮使用寿命 。 1 材料的选择 采掘机械设 备要求齿 轮具 有体积小 、 强度高 、 耐磨性好 ， 并且具有 良好的综合机械性能等特点。 因此采掘机械设备齿轮采用低 碳高合金渗碳钢制 造 ， 具有以下几个方面的性能 1 具有 良好的综合机械性能， 即较高的强度 和韧性 ， 较高的屈服强度。 2 具有较高的淬透性， 淬硬性， 以确保芯部在淬 火后获得碳马氏体， 淬火时具有最小的变形倾向。 3 在高温下长时间加热 ， 奥 氏体晶粒仍能保 持细晶粒 ， 并且过敏感性小。 4 具有接受碳原子 的能力 强， 碳原子在其扩 散系数大 ， 适当渗碳工艺条件下碳浓度容易控制 ， 碳浓度梯度区域过渡平缓。 根据以上特点采用 1 5 C r N i 3 M o A钢完全能代替 1 8 C r 2 N i 4 WA钢 1 ． 1 化 学成分 1 5 C r N i 3 M o A化学成分见文献[ 2 ] ， 该钢加入铬 和镍 ， 除了铬的强化作用外 ， 还可以保持镍 的 良好 作用 ， 从而得到高的综合机械性能。铬和镍的相互 作用使钢的淬透性提高很多， 远远超过单独元素铬 的作用。根据试验铬和镍 的比例在 1 3时效果最 佳 ， 其特点是既提高 了淬透性 ， 又提高了强度、 塑性 和韧性。钢 中钼的存在 可以有效地减弱 回火脆性 的倾向， 同时还进一步提高了强度及淬透性并细化 晶粒。 1 ． 2 机械 性 能和 物理性 能 1 1 5 C r N i 3 Mo A钢的机械性能见表 1 。该材料 机械性能基本 上与 1 8 C r 2 N i 4 WA钢的机械性能相 同， 完全能满足齿轮 的工况要求。因此从常规机械 性能上看 1 5 C r N i 3 Mo A可以代用。 表 1 机械性能 A 1 A 3 M 备 注 一 1l 4 一 第 3 O卷第 6期 1 5 C r N i 3 Mo A的钢热处理工艺探讨姚国臣 V o 1 ． 3 0 N o ． 6 ② 淬 透 性 从 等 温 转 变 曲 线 可 以 看 出 1 5 C r N i 3 M o A钢 的淬透 性 略小 于 1 8 C r 2 N i 4 WA钢。 从齿轮所要求的淬透性方面考虑 1 5 C r N i 3 Mo A钢完 全可以满足使用要求 。 ③相变特性1 5 C r N i 3 Mo A钢 的等温转变 曲线 见文献 [ 3 ] 。 2热处理 工 艺试 验 2 ． 1预 先热 处理 齿轮经锻造后为了消除锻造应力 ， 细化 晶粒改 善加工性能 ， 锻造后热处理工艺如 图 1所示。齿坯 正火后通常进行高温 回火软化处理 ， 主要 目的是进 一 步消除内应力及降低硬度 ， 获得 良好 的机械加工 性能， 经试验测定齿坯热处理后表 面及芯部硬度均 在 ≤H B 2 6 9以下 。 时问 图 1预 先 热 处 理 工 艺 2 ． 2 渗碳 处理试验 渗碳处理试样采用渐开线齿形试样 ， 齿形模数 m 1 0 ， 渗碳工艺采用分段气体渗碳工艺见图 2 ， 渗 剂是煤油 和 甲醇。在渗碳 过程 中不 同时期采 用的 温度不 同， 不 同的渗 剂供给控 制渗碳 过程 中的碳 势。在强渗期渗碳温度为 9 0 0 o C， 渗剂 主要 以煤油 为碳势剂供给 ， 甲醇作为稀释剂供给 ， 此 阶段为高 碳势强渗期。扩散期温度为 9 3 0℃， 扩散时间一般 为强渗期的 I ． 5～ 2倍。此 时渗碳介质主要以 甲醇 供给为主 ， 煤油为辅 ， 主要提高炉 内压力 ， 减少炉 内 碳势。经试验验证 1 5 C r N i 3 M o A钢的平均渗速可达 0 ． 2～ 0 ． 2 5 m n ／ h 。由渗碳层含碳量分析图 图略 可知 ， 渗层深 2 ． 0 mm有效 ， 以保证炉 内正压 ， 防止 造成氧化脱碳。渗碳 层厚为 1 ． 7 lT l t l l 左右 ， 过 渡层 占渗碳层的 7 0 ％以上。碳浓度趋于平缓 ， 过渡区较 宽， 效果显著。 、 渗碳后随炉 内温度 降至 8 8 0℃， 油冷 至室温。 主要使渗碳层高碳 奥氏体析 出一部分碳化物 ， 减少 奥氏体中的碳浓度 ， 减少 渗碳层淬火后 的残余奥 氏 体 ， 细化渗碳后钢晶粒 ， 改变碳化物形态 ， 防止缓冷 时氧化脱碳 ， 为淬火做组织准备。 6 5 0℃， 保温 4 h ， 主要是在此温度下回火使渗层残 余奥氏体发生分解 ， 碳 化物充分析 出和聚集 ， 以使 淬火时碳化物不能完全渗入到奥氏体 中， 减少残余 奥 氏体， 从而提高渗层 的强度和韧性 。 时 『 u 图 2分段气体渗碳工艺图 Tb ／ v ． 渗碳 速度h ． 工艺要求渗 层 h 1 1 ／ 2 h、 24 ／ 5 h 扩散时 间为强渗期 1 ． 5～ 2倍查看试样 ／4次停止渗碳 延长 扩散时问 2 ． 3淬火低 温 回火试验 淬火 回火试验采用一次淬火工艺处理如 图 3 ， 为了提高芯部淬火后获得较高 强度 淬火 温度选定 稍高于 A 点温度 主要是提高芯部强度 和硬度选 用 A 温度 。经淬火试 验测定表面硬度为 HR C 6 2 ～ 6 5， 芯部硬度为 H R C 3 7～4 0 ， 使其表 面耐磨性有 所提高， 芯部韧性和疲劳强度均可满足使用要求 。 p 延 图 3淬 火低 温回火工艺 2 ． 4组 织分析 和性 能分析 1 组织分析 1 5 C r N i 3 Mo A钢渗碳组织 标准采用 船 舶柴油 机金相标准， 渗碳后试样组织为碳化物 ， 呈颗粒状 分布， 碳化物级别小于 2级。 淬火组织表层为细针状 马 氏体 细粒 均布 的 碳化物和少量的残余奥 氏体组织 ， 芯部组织 为低碳 马氏体组织。 经 1 5 0℃低温 回火表 层组织为 回火 马氏体 细小粒状碳化物和少量的残余奥氏体， 马氏体 和残 余奥氏体级别小 于 3级 ， 淬火后经冷处理 硬度梯度 略有上升 HR C 1～ 2 。 2 性能分析 渗碳冷 却后 必须 进行 高温 回火 ， 回火 温度 为 在试验过程中 1 5 C r N i 3 Mo A和 1 8 C r 2 N i 4 WA钢 一 1 1 5 第 3 0卷第 6期 2 0 0 9年 6月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e r y V0 1 ． 3 0 No． 6 J u n ．2 0 0 9 特种加工的几种方法介绍 韩淑敏 辽宁地质工程职业学院 辽东 丹东 1 1 8 0 0 8 摘要 主要介绍了特种加 S - ． 的产生、 特种加工方法的种类、 特点及应用。分别对电火花加 工、 电解加工、 激光加工的基本原理 、 特点及应用作 以介绍。 关键词 特种加S - ；电火花加工；电解加工；超声波加工；激光加工 中图分类号T G 6 6 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 0 9 0 6 0 1 1 6 0 4 I n t r o d u c e d No n t r a d i t i o n a l M a c hi ni ng HAN S hurai n L i a o n i n g I n s t i t u t e o f Ge o l o g i c a l E n g i n e e r i n g ， d a n d o n g l 1 8 0 0 8， C h i n a Abs t r a c t T h e e me r g e n c e o f n o nt r a d i t i o n a l ma c h i n i n g， s p e c i a l t y p e s o f p r o c e s s i n g me t h o d s ， c h a r a c t e r i s - t i c s a n d a p p l i c a t i o n s a r e i n t r o d u c e d．Re s p e c t i v e l y， EDM ， e l e c t r o c h e mi c a l ma c h i ni n g； l a s e r p r o c e s s i n g o f t h e b a s i c p r i nc i p l e s， c h a r a c t e r i s t i c s a n d a pp l i c a t i o n s c o u l d be t o i n t r o d u c e ． Ke y wo r d s n o nt r a di t i o n a l ma c h i ni n g； EDM ； ECM ； u l t r a s o n i c p r o c e s s i n g； l a s e r p r o c e s s i n g 1 特种加工特点及分类 1 ． 1 特种加工及特点 特种加工是指利用电能 、 热能、 光能、 化学能 、 声能等进行加工 的方法。主要 用于 高强度 、 高硬 度 、 高韧性 、 高脆性 、 耐高温、 耐磁性等难切削材料 ， 以及精密细小和复杂形状零件的加工。 与传统切削加工工艺相 比特种加工具有 以下 特点 1 主要不是靠机械力和机械能切除金属， 而 是直接利用电能 、 光能 、 声能或几种能量的复合形 式去除金属材料。 2 适应性强 ， 加工范围广 ， 一般不受工件材料 机械物理性 能的限制 ， 可以加工任何硬 、 脆 、 热敏、 耐腐蚀 、 高熔点 、 高硬度 、 高强度 、 特殊性能的金属 石 ＼ ； ＼ ． ．、 睹蛤 ， ＼ - 、 蛉、 蛤、 嵋＼ 、 、 ； 、 、 ； 、 蠕 石 ＼ ． 、 、 、 石 ＼ ； 蛤 ＼ 、 石 l、 石 蛉 石 - 、 牙 齿轮， 其齿形试样 的机械性能在 同等条件下 ， 热处 理后经测试结果见表 3 ， 测试结果表 明各项性能指 标均达到 1 8 C r 2 N i 4 WA钢的性能指标 ， 单齿弯 曲疲 劳强度甚至超过 1 8 C r 2 N i 4 WA钢 。 表 3 性能指标 3结语 1 1 5 C r N i 3 M o A经渗碳淬火获得 的各项性能 指标均与 1 8 C r 2 N i 4 WA钢相 同， 弯曲疲劳强度超过 1 8 C r 2 N i4 WA钢， 齿轮弯曲疲劳强度有所提高。 2 1 5 C r N i 3 M o A钢的热处理工艺 比 1 8 C r 2 N i 4 WA 钢工艺简化， 热处理后的表面硬度值均在技术要求上 限， 耐磨性与 1 8 C r 2 N i 4 WA钢媲美， 由于工艺简化、 耗能 降低、 效率提高， 经济效益显著。 3 试验过程 中受 到检测设 备的限制 ， 有些性 能指标未做， 如测残余奥 氏体耐磨性试验 ， 这些 问 题有待于今后作进一步探讨。 参考文献 [ 1 ] 热处理手册编委会编． 热处理 手册 K] ． 北 京 中国工业出版社 ， 1 9 9 2． [ 2 ] 刘羽辉． 金属材料物理性能检验标准工 作手册 [ K] ． 北京机械工 业 出版社 ， J 9 8 2 ． 3 ] 美 圉钢铁协 会． 航空材料[ M] ． 美 国钢铁协会出版社 ， 1 9 8 0 ． [ 4 冶金工业部 编写 组． 合金 钢手 册 [ K] ． 北 京冶金 工业 出版 社 ， 】 9 8 3 ． 作者简介 姚国臣 1 9 5 5一 ， 吉林梨树人 ， 工程师， 1 9 7 7年毕业于 辽源煤矿学校 ， 现任辽源煤矿机械有限责任公司三分厂厂长． 一 11 6 一 收稿 日期 2 0 0 9 0 21 9