大齒輪是球磨機(jī)上的關(guān)鍵部件，要求其具有良好的綜合力學(xué)性能及齒面的耐磨性能，從而保證磨機(jī)整機(jī)運(yùn)行的質(zhì)量。當(dāng)冶煉、澆注等冶金因素確定之后，金相組織就成為工件力學(xué)性能的決定性影響因素，而化學(xué)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(guān)重要的。不同的熱處理方式、熱處理參數(shù)的改變，對材料的機(jī)械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，本文對大齒輪的熱處理性能和熱處理方式進(jìn)行試驗(yàn)研究，為制定最佳大齒輪的熱處理工藝方案提供依據(jù)。
1.零件尺寸及技術(shù)要求
該零件應(yīng)用在球磨機(jī)上。材料為ZG34Cr2Ni2Mo，直徑達(dá)11560mm，技術(shù)要求為：齒面硬度280～320HBW，力學(xué)性能Re≥700MPa、Rm=950～1000MPa、A5≥12%、Akv≥32J。
2.工藝試驗(yàn)
試驗(yàn)方案：按照我們公司現(xiàn)有加熱設(shè)備能力，大齒輪需要鑄成四分之一進(jìn)行調(diào)質(zhì)，由于齒面硬度要求比較高，如果調(diào)質(zhì)后銑齒，硬度高銑齒困難；能否粗銑齒后調(diào)質(zhì)，對于這種高合金鋼鑄造齒輪在熱處理技術(shù)上提出了新的課題。
試驗(yàn)方式是通過投制小試塊及試塊模擬試驗(yàn)件進(jìn)行工藝模擬，在不同的熱處理制度下進(jìn)行材料性能、齒面硬度及淬透性試驗(yàn)，獲得一系列的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為制定最佳四分之一齒輪的熱處理工藝方案提供依據(jù)，最終保證大齒輪材料性能達(dá)到Re≥700MPa、Rm=950～1000 MPa、A5≥12%、Akv≥32J，齒面硬度達(dá)到280～320HBW，而不產(chǎn)生開裂和較大的變形，為今后大型齒輪的生產(chǎn)提供工藝保證。
投制14件試塊，規(guī)格：150mm×150mm×200mm，化學(xué)成份見表1。四分之一齒輪試塊淬火和回火設(shè)備用4.5kW電爐。
表1 試塊化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）
元素 | C | Si | Mn | S | P | Cr | Ni | Mo |
標(biāo)準(zhǔn) | 0.30～0.70 | 0.30～0.060 | 0.60～1.00 | ≤0.035 | ≤0.035 | 1.40～1.70 | 1.40～1.70 | 0.15～0.35 |
實(shí)際 | 0.34 | 0.37 | 0.85 | 0.020 | 0.013 | 1.49 | 1.4 | 0.22 |
（1）正火后不同的回火溫度對材料性能及金相組織的影響 正火工藝為（860±10）℃/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2 不同回火工藝后的力學(xué)性能及金相組織
回火工藝 | Re/MPa | Rm/MPa | A5(%) | Z(%) | Akv/J | HBW | 晶粒度/級 | 金相組織 |
580℃/5h空冷 600℃/5h空冷 | 770 745 | 931 900 | 8.0 10.0 | 15.0 17.0 | 15、15、16 18、17、18 | 282 270 | 6.5 6.5 | 回火索氏體+鐵素體 回火索氏體+鐵素體 |
（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±10）℃/3h，油冷。采取不同的回火工藝后，其性能及金相組織見表3。
表3 不同回火工藝后的力學(xué)性能及金相組織
回火工藝 | Re/MPa | Rm/MPa | A5(%) | Z(%) | Akv/J | HBW | 晶粒度/級 | 金相組織 |
580℃/5h空冷 600℃/5h空冷 | 900 835 | 1040 980 | 14.0 17.0 | 45.0 46.0 | 47、48、50 65、67、69 | 330 310 | 7級 7級 | 回火索氏體 回火索氏體 |
3.試驗(yàn)件的齒面硬度及淬透性試驗(yàn)
（1）試驗(yàn)件及試驗(yàn)用設(shè)備
試驗(yàn)件外形模仿實(shí)際大齒輪，其有效截面和實(shí)際大齒輪有效截面相同，見圖1，化學(xué)成分見表1。試驗(yàn)件加工路線主要參照四分之一齒輪工藝進(jìn)行：鑄造→鑄后正回火→鑄后粗銑齒→正回火熱處理→解剖分析齒面淬透性及性能→調(diào)質(zhì)→解剖分析齒面淬透性及性能。
（2）熱處理工藝參數(shù)的制定、淬透性及淬硬性試驗(yàn)
由于試驗(yàn)是模仿實(shí)際四分之一齒輪的生產(chǎn)，所以在制定工藝參數(shù)及質(zhì)量控制方面都要按實(shí)際生產(chǎn)考慮。制定出符合四分之一齒輪粗銑齒后熱處理生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制方法和措施，如：原始組織應(yīng)為正回火狀態(tài)，如為退火態(tài)要補(bǔ)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(yàn)件溫度等實(shí)時(shí)監(jiān)控，用鎧裝熱電偶對試驗(yàn)件實(shí)際溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
對于四分之一齒輪來說，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，齒面硬度就不能達(dá)到要求，尤其是力學(xué)性能（如屈服強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度）會顯著降低。如果不能對零件進(jìn)行具體分析，一律要求保證淬透，就要提高鋼中合金元素含量，導(dǎo)致成本增加，造成浪費(fèi)。
我們對試驗(yàn)件進(jìn)行粗銑齒后正回火及調(diào)質(zhì)處理，檢測了其淬透性、淬硬性、力學(xué)性能和金相組織。結(jié)果如下：①粗銑齒后正回火試驗(yàn)：正火溫度870℃/3.5h空冷，580℃/7h回火，切50mm后檢測：淬透性、淬硬性、性能及金相組織：見圖2和表4。②粗銑齒后調(diào)質(zhì)試驗(yàn)：淬火溫度860℃/3.5h油冷，600℃/7h回火，切100mm后檢測淬透性、淬硬性、性能及金相組織，見圖3和表5。
表4 正回火后的力學(xué)性能及金相組織
Re/MPa | Rm/MPa | A5（%） | Z（%） | Akv/J | HBW | 晶粒度/級 | 金相組織 |
775 | 940 | 10.0 | 14.5 | 13、12、13 | 285 | 6.5 | 回火索氏體+鐵素體 |
表5 調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能及金相組織
Re/MPa | Rm/MPa | A5（%） | Z（%） | Akv/J | HBW | 晶粒度/級 | 金相組織 |
845 | 990 | 15.5 | 40.0 | 67、70、65 | 313 | 7級 | 回火索氏體 |
4.試驗(yàn)結(jié)果分析
通過對ZG34Cr2Ni2Mo四分之一齒輪試塊淬火后采取不同的冷卻方法、不同溫度回火，其性能變化的規(guī)律是：
（1）正火回火后由于所得組織含有鐵素體，所以，強(qiáng)度、硬度、沖擊較低。
（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(qiáng)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。
從ZG34Cr2Ni2Mo四分之一齒輪模擬試驗(yàn)件的試驗(yàn)結(jié)果看，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)四分之一齒輪淬火采用油冷卻的方法，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大齒輪的使用要求，同時(shí)通過沿齒面硬度的檢測及機(jī)械性能試驗(yàn)，使我們對該材料的淬透性及淬硬性有所了解。
5.結(jié)語
通過此項(xiàng)研究可知，對于大型鑄造合金結(jié)構(gòu)鋼齒輪，可以四分之一粗銑齒后調(diào)質(zhì)熱處理。在生產(chǎn)過程中，只要裝爐和起吊過程采取有效的措施，監(jiān)控好整個工藝過程，采用油冷卻的方法選擇合適的回火溫度，使大齒輪達(dá)到所要求的力學(xué)性能和調(diào)質(zhì)硬度要求。
作者：鄒穎，劉艷斌，楊迪，李紅
單位：沈陽鑄鍛工業(yè)有限公司
來源：熱處理生態(tài)圈
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