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新型省退火齿轮用渗碳钢的开发

作者:BBIN 发布于:2019-12-13 02:07 点击量:

  渗碳淬火回火(以下称渗碳)是提高钢疲劳特性的代表性表面硬化热处理技术。冷锻后进行渗碳处理的零部件通常要经过图1所示的制造流程。冷锻时,一般是采用退火来降低变形阻抗。渗碳热处理时,如果奥氏体(γ)晶粒异常长大,会导致疲劳特性降低,所以为了抑制晶粒异常长大,在渗碳前广泛实施退火处理。近年来,汽车等零部件价格竞争激烈,降低零部件制造成本的需求强烈。于是,日本JFE钢铁公司研究了钢的变形阻抗和γ晶粒异常长大,并开发了可同时省略冷锻前退火和渗碳前退火的钢种。开发钢渗碳后的疲劳特性与传统钢同等或高于传统钢。本文介绍可以省略渗碳前退火的抑制γ晶粒异常长大的技术以及开发钢的性能。

  一般情况下,为了抑制晶粒异常长大,采用析出物微细分散控制技术,可以有效地钉扎晶界。为形成这种微细析出物,主要采用Nb、Ti和V等碳氮化物形成元素。但是,担心Ti随着粗大TiN生成的晶粒异常长大抑制能力降低和疲劳断裂起点增加,还担心生成钛硫化物,使锰硫化物减少,降低切削性。在渗碳加热温度区域(900-950℃),添加V难以保证钉扎效应发挥所需的析出量。因此,在本开发中,着眼于单独添加Nb,研究了其析出控制。

  为了提高晶界钉钆力,随着析出量的最大化,析出晶粒的微细化很重要。一般在热力学平衡状态下,可以由溶度积计算规定温度的析出量。图2是计算获得的NbC析出量与温度的关系(以下称析出量曲线)。温度越高,NbC析出量越少。另一方面,越增大Nb的添加量,同一温度的NbC的析出量有增大的倾向。在此,析出量曲线与X轴的

  交点示出NbC的完全溶解温度,NbC完全溶解温度随着Nb添加量增加而升高。冷锻用的棒线材是热轧生产的,所以掌握生产过程的温度变化和NbC的完全溶解温度,进行析出分散控制很重要。

  本公司棒线材的轧制是由第一阶段的钢坯轧制工序和第二段的棒线是棒线材生产中的热履历模式图。连铸后空冷获得的铸坯含有粗大的Nb析出物。如图3(a)所示,钢坯轧制和棒线材轧制的加热温度比NbC完全固溶温度低时,连铸后粗大的Nb析出物未固溶直接残存到渗碳时。其结果,微细NbC析出量降低,没有充分发挥钉扎力。另一方面,如图3(b)、(c)所示,钢坯轧制的加热温度比NbC完全固溶温度高时,粗大的Nb析出物在加热中固溶消失。其后,固溶的Nb在钢坯轧制后的空冷时,作为NbC微细析出。进而,在抑制NbC晶粒长大这点上,希望棒线材轧制的加热温度更低,即认为图3(c)是理想的轧制条件。

  基于NbC析出量曲线,用设计Nb添加量的开发钢,实际生产了图3中各案例的棒钢。轧制后的棒钢,用透射电子显微镜(TEM)观察析出物的结果示于图4。钢坯轧制时的加热用高温,棒线材轧制时的加热用低温时(相当于图3(c)),可见到NbC微细分散(图4(c))。

  为了评价开发钢的γ晶粒异常长大抑制能力,将轧制状态的钢材冷锻成齿轮后(图5),不施加退火,进行了930℃×3h保持后急冷的伪渗碳热处理。作为比较钢SCM420,对伪渗碳前不施加退火和施加退火的双方,进行了930℃×3h保持后急冷的伪渗碳热处理。其后,对齿宽中央断面用添加苯磺酸的苦味酸水溶液酸浸,出现原始γ晶界后,用光学显微镜观察了齿轮底部。

  图6是伪渗碳后原始γ晶粒的结果。伪渗碳前进行退火的SCM420,没有发现晶粒异常长大。但不施加退火时,发现了晶粒径超过100μm的显著γ晶粒异常长大。另一方面,开发钢不施加退火时,γ晶粒微细,没有发现晶粒异常长大,呈良好的组织。开发钢即使省略退火工序也可以抑制渗碳时的γ晶粒异常长大。

  作为渗碳齿轮用钢的开发需求,除省略零部件的制造工序外,高强度化和低应变也是重要需求,预计今后对材料的期待会日益强烈。材料技术进一步深化是必然的,与先进的热处理技术融合以及协作创新非常重要。

BBIN

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