大型齿圈淬火后回火温度与性能的试验研究

纳学洋，马 进，冯周荣，杨爱宁，胡 悦

（共享铸钢有限公司，宁夏 银川 750021）

关键字：齿圈；热处理工艺；硬度；金相

齿圈作为高耐磨传动机械零件，具有极高的硬度要求，为达到齿圈的硬度条件，从成分设计及热处理工艺上进行研究分析并改进应用到实际产品中。选用的材质为S AE 8635设计齿圈的成分；控制C的含量保证获得较多的马氏体组织，以便获得高硬度；通过提高合金元素来提高产品热处理时的淬透性及获得适宜的马氏体组织。热处理工艺选用淬火+中温回火进行调质处理。通过计算得到AC3，选用合适的淬火温度，通过不同回火温度来进行实验研究，以达到所需的硬度条件。最终选择合适的回火温度来应用到产品的实际生产中。

1 材质、化学成分及性能要求

矿机用齿圈材质及化学成分要求如表1所示。

依据S AE8635材质结合以往KO C EL公司生产的B S3100 B T3材质的化学成分，为满足力学性能，依据C、Si、Mn 等一些元素的强化作用，以及Cr、Mo等元素提高淬透性的作用，设计出实验用试块的化学成分。

表1 材质及化学成分（质量分数，%）

以往所生产齿圈最终的性能基本上与硬度有关，硬度高耐磨性能即提高，实验以硬度为实验目标。表2为齿圈性能要求。

表2 齿圈性能要求

2 试验方案

表3 试验方案

设计试验方案如表3，根据齿圈产品硬度性能要求，利用相关模拟软件S t e ca l 3.0计算出AC3，并得出合理的淬火温度860℃，适宜的淬火温度能够使组织完全转变为奥氏体并获得成分均匀、晶粒细小的奥氏体组织，在一定冷却条件下得到马氏体或者贝氏体组织，最后再配以合理的回火温度能够得到稳定的组织，并在使用过程中保持回火后的机械性能。按照软件及实际经验，初步拟定三种方案，由于此材质的碳含量高，淬火内应力大，淬火开裂风险大，因此淬火液选用价格合理的PA G淬火液，保证冷却速度的同时防止淬火开裂。

本实验的回火温度采用三种实验温度：500℃、520℃、540℃，目的在于研究不同回火温度对材料组织及性能的影响，并确定最佳的回火温度。保温时间按照实际壁厚计算。

3 实验结果分析

3.1 实验结果

通过采集回火后试样的金相照片，得到如图1所示不同倍数下的金相照片，由于回火温度差别不大，回火得到的组织为回火马氏体，可能存在少量残余奥氏体和碳化物。从金相中分析可知：通过淬回火实验，得到的组织为低碳马氏体，此类组织在各种基体中硬度最高，强度高，抵抗切削磨损的能力也跟着提高，符合实验结果。

图1 不同倍数下的金相组织照片

淬火后500℃～540℃回火过程中主要发生马氏体的分解、残余奥氏体的分解、碳化物析出、转变及长大，片状渗碳体最终变为粒状渗碳体。目的在于改善基体组织，得到适合的硬度及强度。

按照三种试验方案试验后，得到的三组不同的试验结果如表4所示。

以20℃作为回火温度梯度，根据不同的回火温度进行实验得到不同实验结果。

图2为实验试块的抗拉强度和屈服强度随回火温度的变化情况。由图可见，随着回火温度的升高，抗拉强度、屈服强度下降。

表4 不同回火温度对应的性能结果

图2 不同的回火温度对应的强度趋势图

分析原因为，随着回火温度的升高，碳化物从马氏体中析出增多，马氏体中的过饱和程度不断降低，同时晶格畸变程度也随之减弱，固溶强化的效果也减小，强度呈下降趋势。

图3为回火温度与硬度的关系，淬火温度一致，主要关键因素为回火温度的差异。可以从图中发现，随着回火温度的升高，试块硬度总体趋势是呈下降趋势。

3.2 结果分析

随着回火温度的提高，低合金钢的抗拉强度、屈服强度、硬度降低，但塑性和韧性提高。因此为获得足够的强度、塑韧性及硬度，在确定的880℃淬火温度下，选择以500℃回火，在达到力学性能的前提下保证铸件能够更好的消除淬火应力。

组织决定性能，合适的热处理工艺能够得到所需的板条马氏体组织，在得到此组织后，小范围的回火温度的差异调整，得到更加细小的组织才能获得更好的力学性能。

回火温度的少量差异导致的结果就是组织成分的含量不同，即温度越高，碳化物析出和马氏体分解也就越多，性能也就越低。

4 结论

1）S AE8635材质综合力学性能较好，通过淬火+回火后能够得到回火马氏体+残余奥氏体+少量碳化物的基体组织，有着很高的硬度、强度及良好的塑韧性；

2）实验结果表明最佳回火温度为500℃，能够满足力学性能的要求，同时达到高硬度齿圈所需要的耐磨要求。