大齒輪是球磨機上的關鍵部件，要求其具有良好的綜合力學性能及齒面的耐磨性能，從而保證磨機整機運行的質量。當冶煉、澆注等冶金因素確定之后，金相組織就成為工件力學性能的決定性影響因素，而化學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重要的。不同的熱處理方式、熱處理參數的改變，對材料的機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行試驗研究，為制定最佳大齒輪的熱處理工藝方案提供依據。
1.零件尺寸及技術要求
該零件應用在球磨機上。材料為ZG34Cr2Ni2Mo，直徑達11560mm，技術要求為：齒面硬度280～320HBW，力學性能Re≥700MPa、Rm=950～1000MPa、A5≥12%、Akv≥32J。
2.工藝試驗
試驗方案：按照我們公司現有加熱設備能力，大齒輪需要鑄成四分之一進行調質，由于齒面硬度要求比較高，如果調質后銑齒，硬度高銑齒困難；能否粗銑齒后調質，對于這種高合金鋼鑄造齒輪在熱處理技術上提出了新的課題。
試驗方式是通過投制小試塊及試塊模擬試驗件進行工藝模擬，在不同的熱處理制度下進行材料性能、齒面硬度及淬透性試驗，獲得一系列的試驗數據，為制定最佳四分之一齒輪的熱處理工藝方案提供依據，最終保證大齒輪材料性能達到Re≥700MPa、Rm=950～1000 MPa、A5≥12%、Akv≥32J，齒面硬度達到280～320HBW，而不產生開裂和較大的變形，為今后大型齒輪的生產提供工藝保證。
投制14件試塊，規格：150mm×150mm×200mm，化學成份見表1。四分之一齒輪試塊淬火和回火設備用4.5kW電爐。
表1 試塊化學成分（質量分數）（%）
元素 | C | Si | Mn | S | P | Cr | Ni | Mo |
標準 | 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.試驗件的齒面硬度及淬透性試驗
（1）試驗件及試驗用設備
試驗件外形模仿實際大齒輪，其有效截面和實際大齒輪有效截面相同，見圖1，化學成分見表1。試驗件加工路線主要參照四分之一齒輪工藝進行：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→調質→解剖分析齒面淬透性及性能。
（2）熱處理工藝參數的制定、淬透性及淬硬性試驗
由于試驗是模仿實際四分之一齒輪的生產，所以在制定工藝參數及質量控制方面都要按實際生產考慮。制定出符合四分之一齒輪粗銑齒后熱處理生產各個環節的質量控制方法和措施，如：原始組織應為正回火狀態，如為退火態要補作正火熱處理，以改善原始組織；此外，對裝爐方式、爐膛溫度、試驗件溫度等實時監控，用鎧裝熱電偶對試驗件實際溫度進行實時監控。
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，不能獲得足夠數量的馬氏體，齒面硬度就不能達到要求，尤其是力學性能（如屈服強度、疲勞強度）會顯著降低。如果不能對零件進行具體分析，一律要求保證淬透，就要提高鋼中合金元素含量，導致成本增加，造成浪費。
我們對試驗件進行粗銑齒后正回火及調質處理，檢測了其淬透性、淬硬性、力學性能和金相組織。結果如下：①粗銑齒后正回火試驗：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粗銑齒后調質試驗：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 調質后的力學性能及金相組織
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.試驗結果分析
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，其性能變化的規律是：
（1）正火回火后由于所得組織含有鐵素體，所以，強度、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件的試驗結果看，實際生產時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，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，同時通過沿齒面硬度的檢測及機械性能試驗，使我們對該材料的淬透性及淬硬性有所了解。
5.結語
通過此項研究可知，對于大型鑄造合金結構鋼齒輪，可以四分之一粗銑齒后調質熱處理。在生產過程中，只要裝爐和起吊過程采取有效的措施，監控好整個工藝過程，采用油冷卻的方法選擇合適的回火溫度，使大齒輪達到所要求的力學性能和調質硬度要求。
作者：鄒穎，劉艷斌，楊迪，李紅
單位：沈陽鑄鍛工業有限公司
來源：熱處理生態圈
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