合金材料中不同金属元素对齿轮机械性能和热处理的影响

2019-03-04刘富金谢世杰

世界有色金属 2019年22期

刘富金，谢世杰

（江西省核工业地质局二六四大队，江西赣州 341000）

齿轮是机械传动中不可或缺的部分，齿轮的机械性能直接影响机械设备的整体效果，其中齿轮合金材料的选择作为齿轮制造最基础的部分，将直接影响所有的后续结果。而齿轮加工中热处理工艺作为决定齿轮综合性能的最终处理工艺，也会因不同的合金材料而产生不同的效果。将合金材料进行热处理会改变其形成结构[1]。合金微型结构会对齿轮表面的强度以及使用过程中的机械性能造成影响。所以齿轮制造对金属材料有很高的要求，金属的成分直接影响了齿轮的机械性能和使用寿命。

1 不同合金材料中金属元素对齿轮机械性能的影响

为深入研究不同合金材料的组成配比对齿轮机械性能的影响，选取工业常用的20CrMnTi和20CrNiMo这两种材料作为研究对象，从齿轮最为关注的机械性能、耐磨损性两个方面探究锰、铬、钛、镍等金属元素对整体材料的影响。

1.1 机械性能的影响

20CrMnTi和20CrNiMo都是一种优质韧性耐磨材料，具有较高的强度的同时又具有很好的塑性和韧性，表现出很好的综合机械性能，常用于制造齿轮等承重、磨损类零件[2]。20CrMnTi和20CrNiMo不锈钢作为高合金材料，铬的含量较高，铬的作用是让材料具有耐腐蚀性，并提高合金的抗拉强度和硬度；锰能提高钢的淬透性，并在热处理中起到细化晶粒的作用，从而增加合金的强度，但同时会提高合金的过热敏感性和回火脆性；钛的作用是增强材料的低温冲击韧性，当钛元素含量达到0.018%时，材料的冲击韧性值达到最优指标，微量的钛（0.03%～0.1%）使屈服点有所提高；镍能强化铁素体并细化和增多珠光体从而提高合金的强度，同时提高合金的疲劳抗力；钼对铁素体有固溶强化作用，同时也提高了碳化物的稳定性，从而提高钢的强度，并能改善合金的延展性、韧性及耐磨性。

1.2 耐磨损性影响

材料的耐磨损性主要取决于硬度指标。在不同的冷却速度下，材料体现的硬度值存在较大差异。贝氏体和马氏体组织比例决定了材料的硬度[3]。20CrMnTi受钛元素的影响，在表现出优异韧性值的同时，其硬度值普遍偏低，在冷速介于16.7℃/s～46.7℃/s，贝氏体与马氏体的组成比例为20%～80%，其硬度值为322HV。20CrNiMo在同等的冷速条件下，贝氏体组织比例降至15%，马氏体组织提高到85%，材料的硬度提高到411 HV，实现了最优化硬度。

2 不同合金材料中金属元素对齿轮热处理性能的影响

热处理是指材料在固态下，通过加热、保温和冷却的手段，以获得预期组织和性能的一种金属热加工工艺。其中淬透性是齿轮热处理过程中合金材料的一项重要指标。淬透性是指在规定条件下用试样淬透层深度和硬度分布来表征的材料特征，它主要取决于材料的临界淬火冷速的大小，而临界冷却速度则主要取决于过冷奥氏体的稳定性。在齿轮加工的热处理工艺中，为了提高耐磨性和抗咬合性，让材料不易变形同时提高表面硬度，将钢奥氏体化后以适当的冷却速度冷却，使工件在横截面内全部或一定的范围内发生马氏体等不稳定组织结构转变[4]。

材料的淬透性是材料本身所固有的属性，它只取决于其本身的内部因素，而与外部因素无关。材料的淬透性主要取决于它的化学成分，特别是含增大淬透性的合金元素，其次和晶粒度，加热温度和保温时间等因素有关。

淬透性好的材料，可使材料整个截面获得均匀一致的力学性能以及可选用淬火应力小的介质，以减少变形和开裂。

铬、锰、钛、镍、钼等金属元素均有提高合金淬透性的作用，不同金属之间会相互影响并且还影响其他热处理过程，例如钼能提高合金的淬透性，其作用较铬强而弱于锰，但当钼与铬、锰并存时能降低或抑制因其他元素所导致的回火脆性。又如在金属元素配比中以千分之一的比例增加镍的含量，研究发现，随着镍含量的增多，材料的淬透性能得以优化，在铬-镍-锰的含量达到1.02%～0.02%～0.16%时，材料的淬透性达到43.6，实现最优。

图1 两种合金材料的检测结果对照

3 实例分析

我公司生产某型号电机轴，原图要求使用20CrNiMo材料，因考虑经济成本等因素，将材料替换成20CrMnTi进行验证，样品经客户使用并测试，机械性能完全符合要求，但是在加工过程中发现，20CrMnTi材料所加工产品热变形较大，电机轴齿部齿形、齿向和齿距累积公差均不如20CrNiMo稳定，但是处于质量要求范围内。证明20CrMnTi材料在该型电机轴产品上可替换20CrNiMo材料，如图1所示。