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齿轮钢高温渗碳后的疲劳性能
更新时间:2015.12.04 新闻来源:

 齿轮等零件的渗碳工艺通常在930℃左右进行,是齿轮生产过程中能耗高、效率低、污染大的工艺。提高渗碳温度能够显著降低渗碳时间,提高生产效率,因此高温渗碳工艺日益受到重视并得到应用。不过,常用齿轮钢经950℃以上温度渗碳,原奥氏体晶粒会发生粗化,严重影响材料性能。因此,高温渗碳齿轮钢中需要添加微合金元素Nb、Ti、B等,它们的碳氮化物在高温渗碳时具有较高的稳定性,能够有效钉扎晶界迁移,阻止奥氏体晶粒长大,从而避免晶粒粗化。研究表明,930℃渗碳后齿轮钢的疲劳极限与渗碳层原奥氏体晶粒尺寸密切相关。为此,在20CrMn齿轮钢基础上添加质量分数0.77%的Nb和 0.048%的Nb+0.038%的Ti,研究2种微合金化齿轮钢经1000℃高温渗碳后的旋转弯曲疲劳性能。

  试验用2种齿轮钢采用150kg真空感应冶炼,其化学成分如表1所示。2种试验钢具有较高的洁净度,氧氮含量都较低。将试验用钢锭加热至1200℃保温改锻成直径20mm棒料,经670℃退火5h后加工成旋转弯曲疲劳试样毛坯。将试样毛坯垂直挂在渗碳架上,移至高温真空渗碳炉,经80min后升温至 1000℃开始渗碳,炉中碳势为1.1%。之后将2种钢疲劳试样精加工成最终尺寸,金相及显微硬度试样截取疲劳试样的中间部分。

钢号
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ti
Nb
O
N
A1
0.22
0.32
1.10
0.006
0.006
1.23
-
0.077
0.001
0.0022
A2
0.20
0.34
1.06
0.006
0.006
1.22
0.038
0.048
0.001
0.0018

  渗碳后金相试样经磨抛后用饱和苦味酸活性试剂腐蚀,待渗碳层晶界被腐蚀出去后,在光学显微镜下观察原奥氏体晶粒,通过Sisc ias8图像分析软件用截点法测定晶粒平均尺寸,之后用3%的硝酸酒精溶液腐蚀金相组织。采用FM300型数字显微硬度计(载荷200g)测得旋转弯曲疲劳试样的硬度沿渗碳层深度方向的分布。采用PHILIPS APD-10X射线衍射仪测量疲劳试样渗碳层中的残余奥氏体。渗碳后的疲劳试样在旋转弯曲疲劳试验机上试验,利用升降法测得两种钢的疲劳极限;并利用日立 S-4300型冷场发射扫描电镜(加速电压为15kV)观察疲劳试样断口形貌,统计分析疲劳源。

  结果表明:Nb-Ti复合微合金化的20CrMnTiNb钢中析出相尺寸小、数量多,其渗碳层原奥氏体晶粒平均尺寸明显低于Nb微合金化的 20CrMnNb钢,因而20CrMnTiNb钢的疲劳极限高于20CrMnNb钢。疲劳断口观察发现,20CrMnNb和20CrMnTiNb钢主要以近表面基体方式起裂,渗碳层中疲劳裂纹沿晶界扩展,因而晶粒尺寸较细的20CrMnTiNb钢的疲劳性能较高

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