CN114164330A - 一种齿轮钢20MnCr5热处理方法 - Google Patents

一种齿轮钢20MnCr5热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种齿轮钢20MnCr5热处理方法,其特征在于对钢材先进行在线正火，然后进行离线高温回火，回火温度为670‑690℃，经过高温回火后，钢材芯部偏析带内的带状组织由贝氏体+马氏体全部转变为铁素体+珠光体。采用本发明热处理方法，钢材带状组织无明显升高，硬度从175HBW左右降低至157HBW左右，且没有出现球化现象，齿轮钢20MnCr5在连续式辊底炉上高温回火后的各项指标均满足客户要求。

Description

一种齿轮钢20MnCr5热处理方法
技术领域
本发明涉及冶金领域的热处理工艺，具体涉及一种齿轮钢热处理方法。
背景技术
随着我国汽车工业的发展,国内引进钢的品种和数量明显增加，其中包括20MnCr5钢在内的Mn-Cr系合金渗碳齿轮钢。由于热处理工艺在齿轮的制造过程中起着承接作用，经热处理后的零件切削性能将影响后续的机加工工序，而表面硬度、芯部韧性和塑性也影响后续渗碳工序，因此热处理工序至关重要。为了进一步提高汽车齿轮的质量，人们对汽车齿轮钢及其热处理工艺方法进行较多的研究。
20MnCr5正火后芯部存在偏析带，如何消除这个偏析带提高齿轮钢质量，成为研究的重点。
发明内容
随着客户对产品的要求越来越高，为了适应市场需求，本发明对齿轮钢20MnCr5生产过程进行研究，提供一种齿轮钢热处理方法，将正火后的齿轮钢20MnCr5进行高温回火，有效消除其芯部带状组织，保证齿轮钢各项优良性能，同时获得较低的硬度，满足客户加工要求。
本发明的目的是为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种齿轮钢20MnCr5热处理方法，其特征在于对钢材先进行在线正火，然后进行离线高温回火，回火温度为670-690℃，经过高温回火后，钢材芯部偏析带内的带状组织由贝氏体+马氏体全部转变为铁素体+珠光体。
优选地，所述回火温度为680℃。
优选地，所述离线高温回火保温时间为2-2.5小时。
优选地，所述离线高温回火采用连续式辊底炉进行。
优选地，经过所述在线正火和离线高温回火后，钢材硬度≤166HBW。
优选地，经过所述在线正火和离线高温回火后，钢材芯部带状组织评级为1.5。
优选地，所述在线正火采用如下工艺：均热段温度1120-1160℃，加热时间≥240min，轧制温度900-920℃。
本发明有益效果：
针对齿轮钢20MnCr5在线正火后无法消除芯部(M+B)偏析带，硬度也无法满足≤166HBW的要求的问题，本发明提供一种齿轮钢20MnCr5热处理方法，对在线正火后的20MnCr5进行离线高温回火，20MnCr5芯部(M+B)偏析带分解为铁素体+碳化物后被消除，带状组织并无明显升高，硬度从175HBW左右降低至157HBW左右，且没有出现球化现象，20MnCr5在连续式辊底炉上高温回火后的各项指标均满足客户要求。
附图说明
图1为在线正火试验结果金相组织图；其中(a)为芯部带状组织2.0级200x(工艺1)，(b)为芯部带状组织1.5级200x(工艺2)；
图2为理化室高温回火试验结果芯部带状组织评级；其中(a)为650℃芯部带状组织1.5级200x(工艺1)，(b)为670℃芯部带状组织1.5级200x(工艺1)，(c)为690℃芯部带状组织1.5级200x(工艺1)，(d)为710℃芯部带状组织2.0级200x(工艺1)；
图3为连续式辊底炉高温回火试验结果脱碳示意图；其中(a)为入炉前脱碳100X0.16mm(工艺1)，(b)为入炉前脱碳100X 0.15mm(工艺2)，(c)为出炉后脱碳100X 0.21mm(工艺1)，(d)为出炉后脱碳100X 0.22mm(工艺2)；
图4为正火采用工艺1的钢材进行高温回火后的带状组织图；其中(a)为边部100x带状0.5(工艺1)，(b)为R/3 100x带状1.5(工艺1)，(c)为芯部100x带状2.0(工艺1)；
图5为正火采用工艺2的钢材进行高温回火后的带状组织图；其中(a)为边部100x带状0.5(工艺2)，(b)为R/3 100x带状0.5(工艺2)，(c)为芯部100x带状1.5(工艺2)；
图6为客户带状组织评估标准1；
图7为客户带状组织评估标准2。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明技术方案做进一步详细说明。
为了消除正火后的齿轮钢20MnCr5芯部带状组织，本实施例对齿轮钢20MnCr5热处理工艺进行了深入研究，提出一种在线正火+离线高温回火工艺的热处理方法。
1在线正火试验
1.1在线正火试验方案
试验材料选取二火材20MnCr5，共16支坯料，轧钢厂模拟在线正火，采用以下两种工艺进行对比：
工艺1：(1)加热温度：均热段温度1120-1160℃；(2)加热时间：≥240min；(3)kocks轧机轧制温度：860-880℃，试验8支。
工艺2：(1)加热温度：均热段温度1120-1160℃；(2)加热时间：≥240min；(3)kocks轧机轧制温度：900-920℃，试验8支。
1.2在线正火试验结果
表1在线正火试验结果
Figure BDA0003388432350000031
1#和2#芯部都存在偏析带，偏析带内组织为贝氏体+马氏体，是由于Mn、Cr等合计元素的偏析，造成C曲线右移，增加了奥氏体冷却时的稳定性，当冷却至珠光体转变温度以下后，残余奥氏体转变为贝氏体和马氏体组织。
关于贝氏体含量的评估，要求在100倍光学显微镜下评估纵截面，且除芯部偏析外整个纵界面需要被评估。但从图1所示1#和2#的金相观察来看，除了芯部偏析带，其余位置的带状组织中均为铁素体+珠光体，并不存在贝氏体，故1#和2#热轧态组织的贝氏体含量为0。
从2种工艺得到的带状组织和硬度来看，工艺2带状组织级别较工艺1轻，可能是由于：(1)工艺2的终轧温度较高，相同的轧制变形量情况下，轧制温度高轧材的再结晶比较充分，晶粒细化，带状较细，级别较轻；(2)工艺2轧后温度较高，在相同的环境下，在先共析铁素体析出温度内的过冷度较大冷速较快，抑制了先共析铁素体的形成，降低了带状组织级别。工艺2硬度较工艺1稍低，可能是由于工艺2终轧温度高，相同的冷却工艺下，上冷床温度较高，由于冷床上的自回火效果，造成工艺2冷却后的热轧态硬度稍低。
由此，本发明的齿轮钢20MnCr5热处理方法，在线正火工艺优选工艺2。
2高温回火试验
2.1高温回火试验方案
在理化室做了4个温度的回火试验，选取最佳回火温度后，在厂区连续式辊底炉再做连续式辊底炉高温回火试验。
表2高温回火试验方案
试验编号 回火温度 保温时间 冷却方式
1 650 2 随炉冷至500℃后，取出空冷
2 670 2 随炉冷至500℃后，取出空冷
3 690 2 随炉冷至500℃后，取出空冷
4 710 2 随炉冷至500℃后，取出空冷
2.2高温回火试验结果
表3高温回火试验结果
Figure BDA0003388432350000041
从硬度结果来看：(1)无论正火采用工艺1和工艺2，无论哪种回火温度，在线正火+高温回火后的硬度均满足客户的需求≤166HBW；(2)正火采用工艺2的钢材经过4种回火温度处理后，硬度均小于正火采用工艺1的4种回火温度；(3)4个回火温度工艺下，硬度并无太明显的变化，随着回火温度的升高，硬度并未明显降低。经理化评级，如图2所示，1#650℃芯部带状组织1.5级；1#670℃芯部带状组织1.5级；1#690℃芯部带状组织1.5级；1#710℃芯部带状组织2.0级。
从带状组织结果来看：(1)随着回火温度的升高，带状组织级别升高；(2)芯部偏析带的贝氏体+马氏体回火后都转变为铁素体+碳化物颗粒(珠光体)。综上，回火温度为670-690℃时，硬度和带状组织级别达到最优，故连续式辊底炉高温回火试验选取670-690℃进行试验。
3连续式辊底炉高温回火具体方案
试验选取正火工艺1，工艺2的棒料进行试验，试验方案如下，辊速12m/h，保证680℃(温度波动±10℃)，保温时间约为2小时，然后缓冷至500℃后出炉：
表4连续式辊底炉高温回火试验方案
Figure BDA0003388432350000042
3.1连续式辊底炉高温回火试验结果，如表5和图3所示
表5连续式辊底炉高温回火试验结果
Figure BDA0003388432350000051
连续式辊底炉为氮气保护气氛，气氛中残氧量＜5ppm，对比工艺1和工艺2入炉前和出炉后的脱碳情况，部分脱碳深度均增加0.05mm左右。材料经连续式辊底炉高温回火后，脱碳深度增加较少，约为0.22mm左右，满足客户关于部分脱碳不得深于0.3mm的要求。
对比工艺1和工艺2入炉前和出炉后的带状组织情况可以看出，入炉前和出炉后的带状组织并未升高，边部的带状稍有降低，芯部和R/3处的带状组织基本无变化，如图4、5所示。按照客户带状组织评估标准1(如图6)，要求检测位置距离表面R/3处，可接受的的带状组织不超过，采用本发明方法热处理后的带状组织完全满足要求。
对比工艺1和工艺2的高温回火后的硬度，2种工艺的材料在连续式辊底炉中经相同的高温回火工艺处理后，采用9点法和客户标准测得的平均硬度几乎无差别，均约为157HBW左右，满足客户≤166HBW的要求。
20MnCr5材料经过在线正火，实验室高温回火和连续式辊底炉高温回火试验后，可以得出以下结论：
(1)20MnCr5材料经热轧后，芯部会产生(M+B)偏析带，这种偏析带与材料的芯部合金成分偏析有关，目前的轧制设备无缓冷能力，无法通过热轧来避免此类组织的产生，只能通过连铸工艺来减轻。
(2)20MnCr5材料经2种在线正火工艺后，工艺2(进kocks轧制温度900-920℃)的带状组织较低，硬度也较低，优于工艺1。
(3)在实验室采用4种工艺对工艺1材料和工艺2材料进行高温回火，芯部贝氏体和马氏体被消除，且带状和硬度都满足要求，得出最优的高温回火温度为670-690℃。
(4)工艺1材料和工艺2材料经连续式辊底炉高温回火后，部分脱碳深度均增加0.05mm左右，部分脱碳深度约为0.22mm＜0.3mm；硬度基本无差别，为156-158HBW＜166HBW；带状组织与高温回火前相比没有升高，带状组织级别＜客户带状组织评估标准2(如图7)。
综上所述，针对20MnCr5在线正火后无法消除芯部(M+B)偏析带，硬度也无法满足客户≤166HBW的要求的问题，本发明的齿轮钢20MnCr5热处理方法对正火后的20MnCr5进行离线高温回火，20MnCr5芯部(M+B)偏析带分解为铁素体+碳化物后被消除，带状组织并无明显升高，硬度从175HBW左右降低至157HBW左右，且没有出现球化现象，20MnCr5在连续式辊底炉上高温回火后的各项指标均满足客户要求。

Claims (7)

1.一种齿轮钢20MnCr5热处理方法，其特征在于对钢材先进行在线正火，然后进行离线高温回火，回火温度为670-690℃，经过高温回火后，钢材芯部偏析带内的带状组织由贝氏体+马氏体全部转变为铁素体+珠光体。
2.如权利要求1所述的齿轮钢20MnCr5热处理方法，其特征在于所述回火温度为680℃。
3.如权利要求1所述的齿轮钢20MnCr5热处理方法，其特征在于所述离线高温回火保温时间为2-2.5小时。
4.如权利要求1所述的齿轮钢20MnCr5热处理方法，其特征在于所述离线高温回火采用连续式辊底炉进行。
5.如权利要求1所述的齿轮钢20MnCr5热处理方法，其特征在于经过所述在线正火和离线高温回火后，钢材硬度≤166HBW。
6.如权利要求1所述的齿轮钢20MnCr5热处理方法，其特征在于经过所述在线正火和离线高温回火后，钢材芯部带状组织评级为1.5。
7.如权利要求1所述的齿轮钢20MnCr5热处理方法，其特征在于所述在线正火采用如下工艺：均热段温度1120-1160℃，加热时间≥240min，轧制温度900-920℃。
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