渗碳钢通常是指经真空渗碳真空淬火,低温回火后使用的钢。20CrMnTi渗碳钢是一种低碳合金钢,工艺性能优良,广泛用于截面小于30mm承受高速、中等或重载及受冲击载荷和摩擦的重要渗碳零件,如汽车、拖拉机中的变速齿轮、凸轮、矿山机械使用的重载齿轮等,但往往由于齿轮热处理质量不过关,会造成加工困难、齿轮磨削中存在裂纹、组织和力学性能不合格等。本文通过对齿轮真空渗碳、真空淬火回火几个方面分析,进行工艺优化,来提高材料的性能,降低生产成本。

20CrMnTi齿轮钢要达到加工、使用所需性能必须进行真空热处理,目的是提高表面的硬度、耐磨性和疲劳强度,心部具有足够的强度和韧性。一般齿轮加工的工艺路线如下：

锻造→正火→齿形加工→真空渗碳→真空淬火、低温回火→喷丸→校正花键孔→磨齿。

1真空渗碳热处理工艺

1.1钢的化学成分

20CrMnTi的含碳量为0.20%属于低碳钢,真空渗碳时保证了碳元素的正常渗入。真空淬火热处理后心部获得低碳马氏体,以保证心部具有足够的塑性和韧性,抵抗冲击载荷。钢中合金元素为Cr<1.5%, Mn<1.5% 、Ti<1.5%。Cr 、Mn合金元素能提高钢铁索体的强度,同时提高钢的淬透性。Ti元素能阻止钢的奥氏体晶粒的长大,提高钢的回火稳定性。20CrMnTi齿轮根据使用性能要求表面耐磨,心部又要求有良好的强韧性,所以要对20CrMnTi钢进行表面渗碳处理,渗碳淬火后表面得到高碳马氏体,具有较高的硬度和耐磨性。

1.2真空渗碳工艺

真空渗碳淬火工艺过程中,要防止齿轮变形,要严格控制渗碳齿轮的表面碳浓度和渗层深度。因它们会对渗层组织的膨胀系数产生影响,渗碳后若表面形成不良碳化物分布,将增加齿形、齿向及花键孔的变形,因此必须控制真空渗碳时的碳势,以防止表面碳浓度过高和碳量不均匀。渗碳层深度越厚,也将使畸变加大。表面含碳量影响真空渗碳淬火齿轮的淬透性,而材料的淬透性对组织、性能、畸变有直接的影响。因此应使渗碳层深度及其表面含碳量控制在合理适宜的范围内。

2真空淬火低温回火

2.1真空淬火

钢的加热温度一般可根据Fe-Fe3C相图选择,亚共析钢真空淬火加热温度选择Ac3以上30℃ ~50℃,过共析钢真空淬火加热温度选择Ac1以上30℃ ~50℃。根据真空渗碳后齿轮的表层含碳量的分布状况及实践经验从900℃预冷到820℃左右进行油冷可以得到好的效果。加热温度过高或保温时间过长,会引起奥氏体的晶粒粗大，引起过热或晶界氧化并部分熔化的过烧现象。故可选择900℃温度真空渗碳,预冷820℃左右油冷淬火。真空淬火冷却速度太快,奥氏体向马氏体组织转变剧烈。体积收缩,引起很大的内应力,容易造成齿轮的变形和开裂,由于20CrMnTi是合金钢,淬透性较好,故选择油冷减小冷却速度。真空淬火后的钢组织是马氏体及少量残余奥氏体,它们都是不稳定的组织,有向稳定组织转变的趋势,同时真空淬火时产生内应力。为了减小或消除真空淬火内应力,稳定组织和尺寸,获得所需的力学性能,实践证明重载齿轮选择在200℃进行4小时低温回火工艺较好。低温回火时马氏体中过饱和碳原子以碳化物的形式逐步析出,马氏体晶格畸变程度减弱,内应力有所降低。此时的回火组织由马氏体和碳化物组成,称为回火马氏体。虽然马氏体的分解使α-Fe中碳的过饱和程度降低,钢的硬度相应下降,但析出的碳化物又对基体起强化作用,部分的残余奥氏体分解为回火马氏体,所以钢仍保持很高的硬度和耐磨性和一定的韧性。

真空渗碳设备选择：一个工艺技术必须要搭配优秀的设备才能发挥作用，其中真空渗碳中所选取的真空渗碳炉至关重要。SIMUWU公司生产的RVC真空渗碳炉是处理此类工艺的优秀产品。凭借其优秀的温控精度和温度均匀性，能够平整均匀地进行实现工件的钎焊，从而达到高层次的钎焊水准，减少废品率，增加生产的效能同时降低成本。