20CrMnMo开式齿轮及其检测方法和减少其坯锻件裂纹的热处理方法

摘要

本发明涉及一种20CrMnMo开式齿轮及其检测方法和减少其坯锻件裂纹的热处理方法，属于热锻处理工艺的技术领域，该热处理方法方法为：方坯入炉加热，始锻温度为1200℃，终锻温度800℃，锻造比为7.5，930℃渗碳保温60小时→出炉；淬火：奥氏体化850℃保温4.5小时→出炉（油冷）；回火：加热至210℃保温12小时，出炉（空冷）。经过该热处理方法制得的开式齿轮。检测方法为：超声波探伤检测，解剖取样，低倍检验，金相检验，硬度测试，冲击和拉伸测试，冲击断口扫描电镜分析。通过本发明检测方法，观察到裂纹的状态，以及能够判断出现裂纹的时机，具有极其重要的生产指导意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种20CrMnMo开式齿轮及其检测方法和减少其坯锻件裂纹的热处理方法，属于热锻处理工艺的技术领域。

背景技术

20CrMnMo开式齿轮坯锻件可锻造加工成齿轮，但是，在实际生产中，制造成型的齿轮内部有缺陷波反射，原因排查难度大，造成的经济损失严重，如何排查出产生缺陷的原因，以及给生产提出指导意见，正确指导生产，防止在生产中再次产生裂纹，具有重大的生产指导意义。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种20CrMnMo开式齿轮及其检测方法和减少其坯锻件裂纹的热处理方法，其具体技术方案如下：

一种减少20CrMnMo开式齿轮坯锻件裂纹的热处理方法，具体包括以下步骤：

步骤1：坯锻件：选取材质为20CrMnMo，规格为300×300mm方坯，作为开式齿轮的坯锻件，

步骤2：将步骤1中的坯锻件入炉加热，加热后进行锻造，始锻温度为1200℃，终锻温度800℃，锻造比为7.5；

步骤3：完成步骤2的锻造后，进行锻后热处理工艺，锻后热处理工艺具体为：

(3.1)渗碳：930℃渗碳保温60小时后出炉，出炉后空冷到室温；

(3.2)淬火：奥氏体化850℃保温4.5小时后出炉，油冷，油冷到到200度以下，进行低温回火；

(3.3)低温回火：加热至210℃保温12小时后出炉，空冷到常温；

进一步的，所述步骤2中，锻造过程为：

(2.1)坯料拔长到600mm，镦粗到300mm，继续进行2.2；

(2.2)再次拔长到600mm，镦粗到300mm，继续进行2.3；

(2.3)再拔长滚圆到

(2.4)拔长改制为

(2.5)焖模锻造成型，继续加热到1200度，保温时间3小时，焖模成型；

(2.6)坑冷却到室度；

(2.7)正火；

(2.8)粗加工。

进一步的，所述步骤2之前还进行了调质热处理。调质热处理的淬火温度930度、保温时间270分钟，和高温回火的温度650度、保温时间780分钟。

进一步的，所述步骤(3.2)淬火结束到(3.3)低温回火开始之间的时间间隔为2～4小时。

由上述的热处理方法制得的开式齿轮。

开式齿轮的检测方法，包括以下步骤：

步骤一：超声波探伤检测：取2个开式齿轮，编号为：KSCL001和KSCL002，沿各开式齿轮的纵向和横向分别超声波探伤检测；

步骤二：解剖取样：沿KSCL001开式齿轮的横向切开，沿KSCL002开式齿轮的纵向切开，在切开的断面上分别切割出多个取样块，并加工成低倍试块，金相试样取自低倍试样面的裂纹处；

步骤三：低倍检验：取2块低倍试块经刨、磨机加工后，经70℃的1:1盐酸水溶液中腐蚀25分钟，腐蚀后观察，得到裂纹的状态和分布，测量裂纹的长度，以及局部放大形貌；

步骤四：金相检验：分别金相检测KSCL001、KSCL002开式齿轮的横截面和纵向面，福安差裂纹形貌，以及裂纹内是否有非金属夹杂物和氧化物，腐蚀后观察，裂纹两侧是否脱碳，以及其附近组织；

步骤五：硬度测试：测试KSCL001开式齿轮的横向断面，和KSCL002开式齿轮的纵向断面的多个点位的硬度；

步骤六：冲击和拉伸测试：冲击试样取自超声波探伤的缺陷部位，常温拉伸试样取自齿轮近表面的无缺陷区，两个冲击试样的室温以两个不同的力冲击，观察端口形貌以及断裂特征，拉伸试验方法执行GB/T228标准，得到拉伸曲线，观察断口的宏观形貌；

步骤七：冲击断口扫描电镜分析：对步骤六得到的成绩断口进行扫描电镜分析，观察端口形貌。

进一步的，若超声波探伤发现缺陷的齿轮中取两件进行解剖分析，低倍检验在距试样外圆表面约面50mm的中心区域内有多条细小裂纹，裂纹两端圆钝，呈不同方向分布，最长约1mm，由裂纹的低倍形貌特征和分布部位初步判断，为内裂裂纹，由于齿轮锻坯经超声波探伤没有发现裂纹，表明裂纹是在最终热处理之后形成的，需在齿轮渗碳热处理之前增加调质热处理，改善最终热处理前的显微组织；齿轮渗碳淬火后应及时回火，消除淬火形成的热应力和组织应力。

本发明的有益效果是：

本发明减少20CrMnMo开式齿轮坯锻件裂纹的热处理方法能够减少成品齿轮内部裂纹缺陷，提高成品合格率。

本发明开式齿轮的检测方法能够检测出成品齿轮产生裂纹的原因，为分析和查找原因，提供依据，且给出了具体的检测结果，得出的结论，可直接套用于指导生产。

附图说明

图1锻后热处理工艺，

图2 KSCL001横向解剖及超声波探伤示意图，

图3 KSCL001两个典型的超声波探伤波形，

图4 KSCL002纵向解剖及超声波探伤部位示意图解剖，

图5 KSCL002两个典型的超声波探伤波形，

图6低倍试块取样解剖图，

其中，图6(a)为KSCL002齿轮纵向切面图，图6(b)为KSCL001齿轮横向切面图，

图7 KSCL002齿轮纵向低倍组织，

图8图7框区局部放大形貌及金相取样部位，

图9 KSCL001齿轮横向低倍组织，

图10图9红框区局部放大形貌及金相取样部位，

图11 3号试样裂纹形貌100×，

图12 3号试样裂纹形貌500×，

图13 3号试样裂纹组织100×，

图14 3号试样裂纹组织500×，

图15 3号试样基体组织500×，

图16 3号试样另一条裂纹形貌100×，

图17 3号试样另一条裂纹形貌500×，

图18 3号试样另一条裂纹组织500×，

图19 3号试样纵向面裂纹形貌100×，

图20 3号试样纵向面裂纹端部形貌500×，

图21 3号试样纵向面裂纹尾部形貌100×，(图21(a)和图21(b)表示取两处裂缝相貌图)

图22 1号试样裂纹根部形貌100×，

图22 1号试样裂纹根部形貌100×，

图23 1号试样裂纹中部形貌100×，

图24 1号试样裂纹尾部形貌100×，

图25 1号试样裂纹根部组织100×，

图26 1号试样裂纹中部组织100×，

图27 1号试样裂纹尾部组织100×，

图28 1号试样裂纹根部组织500×，

图29 1号试样裂纹中部组织500×，

图30 1号试样裂纹尾部组织500×，

图31 1号试样深色区基体组织500×，

图32 1号试样细小裂纹组织形貌100×，

图33 1号试样细小裂纹组织形貌500×，

图34 4号表面试样组织100×，

图35 4号表面试样组织500×，

图36 5号表面试样组织100×，

图37 5号表面试样组织500×，

图38硬度测试结果，

图39冲击和慢拉伸试样取样部位示意图，

图40冲击断口形貌，

图41拉伸曲线，

图42拉伸断口宏观形貌，

图43断口宏观形貌24×，

图44纤维区韧窝形貌2000×，

图45槽口附近裂纹100×，

图46槽口附近裂纹500×，

图47槽口附近裂纹2000×，

图48断口快速扩展区形貌1000×，

图49断口快速扩展区形貌1000×。

具体实施方式

现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

减少20CrMnMo开式齿轮坯锻件裂纹的热处理方法，具体包括以下步骤：

步骤1：坯锻件：选取材质为20CrMnMo，规格为300×300mm方坯，作为开式齿轮的坯锻件，对坯锻件调质热处理，

步骤2：将步骤1中的坯锻件入炉加热，加热后进行锻造，始锻温度为1200℃，终锻温度800℃，锻造比为7.5，具体为：

(2.1)坯料拔长到600mm，镦粗到300mm，

(2.2)再次拔长到600mm，镦粗到300mm，

(2.3)再拔长滚圆到

(2.4)拔长改制为

(2.5)焖模锻造成型，

(2.6)坑冷，

(2.7)正火，

(2.8)粗加工。

步骤3：完成步骤2的锻造后，进行锻后热处理工艺，锻后热处理工艺具体为：

(3.1)渗碳：930℃渗碳保温60小时后出炉，

(3.2)淬火：奥氏体化850℃保温4.5小时后出炉，油冷，

(3.3)低温回火：加热至210℃保温12小时后出炉，空冷。

步骤(3.2)淬火结束到(3.3)低温回火开始之间的时间间隔为2～4小时。

下面以20CrMnMo开式齿轮坯锻件经加工成齿轮为例，说明检测方法以及检测结果的判断。

20CrMnMo开式齿轮坯锻件经加工成齿轮，在产品最终热处理后进行超声波探伤，在108件中发现10件齿轮内部有缺陷波反射，为查明缺陷原因，对其中两件齿轮进行解剖取样检验分析。

1概况

齿轮坯锻件材料冶炼方法为EF+LF+VD，齿轮坯交货状态为正火+回火。

制造工艺流程简述为：300×300mm方坯入炉加热，始锻温度为1200℃，终锻温度900℃，锻造比为7.5。锻造变形工序为：

齿轮锻坯经锻后热处理和初加工后，进行超声波探伤，均未发现缺陷。两件解剖的齿轮序号为KSCL001、KSCL002。KSCL001进行横向解剖，KSCL002进行纵向解剖。

2超声波探伤结果

2.1 KSCL001横向解剖超声波探伤结果

KSCL001齿轮横向解剖超声波探伤部位见图2。

横向超声波探伤缺陷最大为FBH4.2mm，纵向长度按FBH2mm测长的长度为30mm。缺陷代表的波形见图3所示。根据JB/T 5000.15-2007的I级验收要求，缺陷当量值均已超标。

2.1 KSCL002纵向解剖超声波探伤结果

KSCL001齿轮纵向解剖超声波探伤部位见图4。

超声波探伤缺陷最大为FBH4.2mm，按FBH2mm测长的弧长为95mm。缺陷代表的波形见图5。根据JB/T 5000.15-2007的I级验收要求，缺陷当量值均已超标。

3解剖取样

齿轮解剖分别按照图2、图4所示的“切割线”切开，并加工成低倍试块。KSCL001齿轮横向、KSCL002齿轮纵向低倍试块和齿轮表面金相试样取样部位见图6，金相试样取自低倍试样面的裂纹处，拉伸、冲击等试样取样部位见相关示意图。

4检验结果

4.1低倍检验

2块低倍试块经刨、磨机加工后，经70℃的1:1盐酸水溶液中腐蚀25分钟，腐蚀后观察：

KSCL002齿轮纵向试样表面距离外圆面50mm的中心区域内存在多条细小裂纹，裂纹两端圆钝，呈不同方向分布，最长约1mm。除裂纹外，未发现其他明显低倍缺陷，见图7所示，图7红框区局部放大形貌见图8；

KSCL001齿轮横向试样表面距离外圆面50mm的中心区域内存在数条细小裂纹，裂纹两端圆钝，呈不同方向分布，最长约3mm。除裂纹外，未发现其他明显低倍缺陷，见图9所示，图9红框区局部放大形貌见图10所示。

4.2金相检验结果

4.2.1 KSCL002齿轮金相试样

3号金相试样取样部位见图8。

3号金相试样检验面为其侧面(齿轮横截面)，试样表面有两条裂纹。其中一条裂纹形貌见图11、图12，裂纹尾部圆钝，裂纹内及其周围没有发现非金属夹杂物和氧化物。腐蚀后观察，裂纹两侧不脱碳，其附近组织为贝氏体+马氏体+铁素体，见图13、图14。试样基体组织与裂纹附近组织相同，见图15；另一条裂纹形貌见图16、图17，裂纹呈断续分布，尾部圆钝，裂纹内及其周围没有发现非金属夹杂物和氧化物。腐蚀后观察，裂纹两侧不脱碳，其附近组织为贝氏体+马氏体+铁素体，见图18；

3号金相试样检验面为低倍酸洗面(齿轮纵向面)，试样表面两条裂纹形貌见图19所示，裂纹尾部圆钝。裂纹两端都有显微疏松缺陷，裂纹内及其周围没有发现非金属夹杂物和氧化物，见图20所示。腐蚀后观察，裂纹两侧不脱碳，其附近组织为贝氏体+马氏体+铁素体，见图21所示。基体组织和裂纹附近相同。

4.2.2 KSCL001齿轮金相试样

1号金相试样取样部位见图10所示。

1号金相试样检验面为其侧面(齿轮纵向面)，试样表面有一条深约10mm,裂纹，呈断续分布。多数裂纹尾部圆钝，少数裂纹尾部尖锐，裂纹内及其周围没有发现非金属夹杂物和氧化物，见图22～图24所示。腐蚀后观察，裂纹两侧不脱碳。裂纹处于浅色铁素体+贝氏体，呈穿晶扩展，见图25～图30所示。深色区组织为贝氏体+马氏体，见图31。

另外，试样表面还一些细小裂纹，裂纹形貌特征与上述相似，见图32、图33所示。

4.2.3齿轮表面金相组织

KSCL002表面的4号金相试样检面为径向侧面，即齿轮横向面。试样表面没有发现裂纹。腐蚀后观察，组织为回火马氏体+贝氏体+铁素体，见图34、图35所示；

KSCL001表面的5号金相试样检面为径向侧面，即齿轮纵向面。试样表面没有发现裂纹。腐蚀后观察，组织为回火马氏体+贝氏体+铁素体，见图36、图37所示。

4.3硬度测试结果

硬度测试结果见图38所示，硬度单位为HBW。相当于23～31.5HRC。低于821-2041-XXX出厂质保书中的芯部为32～40HRC要求。

4.4冲击和拉伸试验结果

冲击试样取自超声波探伤的缺陷部位，常温拉伸试样取自齿轮近表面的无缺陷区，见图39所示。

4.4.1冲击试验结果

两个冲击试样的室温冲击A

4.4.2拉伸试验结果

拉伸试验方法执行GB/T228标准，试验结果见表1所示，拉伸曲线见图41所示，断口宏观形貌见图42所示。

表1拉伸试验结果

4.5冲击断口扫描电镜分析

对图40中冲击功为29J左边的冲击断口进行扫描电镜分析，断口宏观形貌较平坦，裂纹源区所占比例极小，剩余均为快速扩展区。源区韧性断裂最宽处仅有0.248mm且呈断续分布，见图43所示。源区韧窝形貌为微孔聚集型，见图44。源区槽口附近有一小裂纹，小裂纹周围被韧窝包围，见图45所示。裂纹内壁表面为准解理断裂，见图46、图47所示。快速扩展区为穿晶准解断裂形貌，伴有二次裂纹，见图48、图49所示。

5结果讨论

超声波探伤发现缺陷的齿轮中取两件进行解剖分析，低倍检验在距试样外圆表面约面50mm的中心区域内有多条细小裂纹。裂纹两端圆钝，呈不同方向分布，最长约1mm。由裂纹的低倍形貌特征和分布部位初步判断，为内裂裂纹。由于齿轮锻坯经超声波探伤没有发现裂纹，表明裂纹是在最终热处理之后形成的。

在裂纹处取金相试样检验，裂纹呈断续分布，尾部圆钝，也有少数裂纹尾部尖锐，这与裂纹形成后在应力作用下进一步扩展有关。裂纹内及其周围没有发现非金属夹杂物和脱碳，裂纹呈穿晶扩展。因此，裂纹的微观形貌符合内裂裂纹的特征，验证了低倍裂纹的分析结果；

缺陷区冲击试验，冲击功较低，断口为脆性断裂形貌。冲击断口扫描电镜分析，断口主要以准解理断裂。源区槽口附近的小裂纹是原有内部裂纹在冲击断口表面的暴露，裂纹周围被韧窝包围，裂纹内壁表面为准解理断裂；

金相检验，裂纹处及其附近组织为贝氏体+马氏体+铁素体，部分裂纹位于铁素体+贝氏体。4号、5号金相试样取自齿轮表面，金相检验没有发现裂纹，组织为回火马氏体+贝氏体+铁素体。

根据821-2041-XXX出厂质保书提供的热处理信息，齿轮渗碳淬火结束时间为2016年8月26日11时33分，回火开始时间是2016年8月27日05时59分，从淬火结束到开始回火的时间相隔为18小时26分。热处理工件淬火结束后要求及时回火，一般是在2～4小时内回火。如果回火间隔过长，淬火产生的组织应力和热应力残留在钢中形成的内应力不能及时消除，会增加开裂或内裂危险。

综合上述检验结果，齿轮内部超声波探伤缺陷属于组织缺陷在应力作用下引起的内部应力裂纹。应力来源与齿轮淬火后形成的热应力和组织应力没有及时通过回火释放有关。

因此，结合20CrMnMo材料和齿轮的制造工艺建议：(1)在齿轮渗碳热处理之前增加调质热处理，改善最终热处理前的显微组织；(2)齿轮渗碳淬火后应及时回火，消除淬火形成的热应力和组织应力。

6结论与建议

1)低倍检验，距试样外圆表面约50mm的中心区域内存在多条细小裂纹，裂纹形态、分布部位属于内裂裂纹；

2)金相检验，裂纹内及其周围没有发现非金属夹杂物和脱碳，裂纹呈穿晶扩展；

3)缺陷区冲击试样的冲击功较低，断口以脆性准解断裂为主。断口源区槽口附近的小裂纹是原有内部裂纹在冲击断口表面的暴露；

4)齿轮淬火结束到开始回火的时间相隔为18小时26分，表明齿轮淬火后没有及时回火；

5)综合上述检验结果，齿轮内部超声波探伤缺陷属于组织缺陷在应力作用下引起的内部应力裂纹。应力来源与齿轮淬火后形成的热应力和组织应力没有及时通过回火释放有关；

6)建议：(1)在齿轮渗碳热处理之前增加调质热处理，改善最终热处理前的显微组织；(2)齿轮渗碳淬火后应及时回火，消除淬火形成的热应力和组织应力。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。