在齿轮轴的生产中，参考淬火-配分工艺对其原料合金钢的性能影响，对应淬火-配分展开试验分析，提高齿轮轴整体性能。为此，对20CrMnTi合金钢原料及热处理炉等设备进行概述，为试验提供基础。从钢的淬火终点温度、配分温度、配分时间等参数出发，设计合金钢热处理方案，同时对拉伸试样进行拉伸要点展开讨论。对试验后的样品进行显微组织、断口形貌、拉伸性能、物相组成的研究，能有效设置配分温度和配分时间，提高合金钢应用质量。
引 言
齿轮轴可支承转动零件转动并与转动零件共同回转，能对弯矩、扭矩、运动进行传递，不过运转会承受较大的振动、偏载和冲击，需要齿轮轴具有较高的强度、硬度。目前在齿轮轴用合金钢的开发中，多倾向于复合钢种的研究，例如相变诱发塑性钢、马氏体-贝氏体复合钢等，但其抗拉强度、断后伸长率等参数仍无法满足复杂工况下齿轮轴对原料钢的要求。因此，参考淬火-配分处理工艺对中碳钢性能的影响，有必要开展基于淬火-配分的20CrMnTi合金钢优化研究。
淬火-配分设备材料
以热冲压成型工艺生产的齿轮轴为例，本文主要的试验对象为齿轮轴用的20CrMnTi合金钢结构，其w(C)、w(Si)、w(Mn)、w(P)、w(S)、w(Cr)、w(Ni)、w(Cu)、w(Ti)、w(Fe)分别为0.22%、0.24%、0.96%、0.008%、0.003%、1.17%、0.03%、0.01%、0.06%、97.299%。其次，经过DIL 805A淬火热膨胀仪的测试，可得到奥氏体转变温度Ac3、马氏体转变开始温度Ms、马氏体转变结束温度Mf分别为863℃、397℃、204℃。最后，在试验中，还应做好卡博莱特CWF 11/5型热处理炉、INSTRON 5585型万能材料试验机FE-1050型高分辨扫描电镜(场发射型)、帕纳科Empyrean锐影X射线衍射仪的仪器准备和调试，完成钢组织分析。
淬火-配分处理方案
钢的热处理：
1）试样准备。基于齿轮轴加工特征，需沿轧制方向将合金钢制成棒状试样，其试样总长200mm、直径50mm，然后在淬火-配分前，对棒状试样进行清洗及烘干。
2）淬火-配分。首先，需将合金钢加热到TA温度(910℃)，并持续3min，实现奥氏体化。其次，后淬火至淬火终点温度(TQ)，并开展相同配分温度(TP)的处理，其TQ=TP。最后，配分处理的时间控制在10~155s之间，然后合金钢进行水淬处理，温度降低至室温。其齿轮轴用合金钢的热处理工艺参考图1。
3）对照试验。设试验组、对照组。首先，其试验组分为12组试验，前1—6组TQ=TP=225℃，配分时间依次设为10、30、60、90、120、150s，后7—12组TQ=TP=275℃，配分时间依次设为10、30、60、90、120、150s。其次，其对照组为1组实验，在加热到910℃并持续该温度3min后，可实现奥氏体化，然后水淬到室温。
图 1 合金钢的热处理工艺参数
拉伸的步骤:
完成钢的热处理后，需要借助线切割工艺对热处理后的齿轮轴进行拉伸试样处理，其试样总长140mm、直径25mm，中间50mm区域直径为15mm。其次，在室温环境中，调整万能材料试验机参数，设拉伸速率为2mm/min，基于GB/T 228.1—2021标准，对各拉伸试样进行三次抗拉伸性能测试，并取其平均值。最后，应用扫描电镜对合金钢的拉伸断口形貌进行分析、应用X射线衍射仪对钢成分进行物相研究，应用高分辨扫描电镜进行显微组织研究。
淬火-配分数据讨论
钢的抗拉强度和断后伸长率:
合金钢的抗拉强度σb及断后伸长率δ数据可以参考图2。首先，在TQ=TP=225℃时，随着配分时间的增加，钢的抗拉强度逐渐降低，断后伸长率先增加后降低，且在配分时间120s时断后伸长率最大。其次，在TQ=TP=275℃时，随着配分时间的增加，钢的抗拉强度逐渐降低，断后伸长率先增加后降低，且在配分时间90s时断后伸长率最大。最后，结合两个温度下最大断后伸长率的出现时间，可认为在升高TQ、TP后，最大断后伸长率出现的配分时间会缩短，由120s降低至90s。
图 2 合金钢的抗拉强度及断后伸长率
钢的强塑积:
齿轮轴用钢的强塑积UT(UT=σbδ)数据可参考图3。首先，在两种配分温度中，当提高配分时间时，钢的强塑积都先增加后降低，且强塑积最大值在90s的配分时间处。其次，在30s后的配分时间中，同样配分时间下其225℃试样的强塑积大于275℃试样的强塑积，在提高配分温度后能降低钢的强塑积。最后，强塑积和断后伸长率的变化曲线有着趋势类似特征，基于 UT=σbδ，可认为断后伸长率是影响强塑积的主要因素。此外，进行对照组的拉伸性能测试，其强塑积为13772.2MPa·%，小于淬火-配分后的合金钢的强塑积。
图 3 合金钢的强塑积
物相分析:
在淬火-配分组中，其强塑积最大试验组为4组(TQ=225℃、tQ＝90s)，需要开4组和直接淬火组的物相分析，得到XRD图谱。首先，经过计算分析，直接淬火试样组的残余奥氏体体积小于检测限，而4组的残余奥氏体体积分数为6.6%，可猜测断后伸长率、强塑积与残余奥氏体体积分数有关。其次，对淬火-配分其他组进行残余奥氏体含量测试，其5组(TQ=225℃、tQ=120s)、10组(TQ=275℃、tQ=90s)的残余奥氏体体积分数较大，分别为6.5%、5.5%。最后，参考5组、10组的强塑积、断后伸长率也较大，可判断当残余奥氏体体积分数较高时，试样的断后伸长率、强塑积较大。
显微组织:
首先，直接淬火组中，显微组织为细小板条马氏体。其次，以TQ=225℃的淬火-配分组为例，在tQ为10s时，显微组织以细小板条马氏体为主，局部析出碳化物；在tQ为90s时，显微组织为细小碳化物、板条马氏体，轻微回火；在tQ为150s时，显微组织中马氏体板条束轮廓变模糊，碳化物增大。对于显微组织变化而言，TQ=275℃的变化趋势与TQ=225℃的变化趋势相似。最后，在同样配分温度中，延长配分时间后，钢会存在马氏体回火转变，且碳化物析出和长大。结合钢性能看，抗拉强度逐渐降低、断后伸长率先增加后降低。
结 语
对齿轮轴用合金钢进行淬火-配分后，可得到以下结论。具体而言：在配分、淬火终点温度不变下，随着配分时间增加，断后伸长率先增加后降低、抗拉强度逐渐降低；对于225℃、275℃两个配分温度而言，于10~150s的配分时间中，强塑积先增加后降低，且淬火-配分组的强塑积更大；残余奥氏体体积分数较高时，钢的断后伸长率、强塑积较大，5组、10组的残余奥氏体体积分数分别为6.5%、5.5%；同等配分温度中，提高配分时间，钢会出现马氏体回火转变及碳化物析出现象。
参考文献：略
作者简介：孟丽芳（1992—），女，山西大同人，硕士学位，毕业于昆明理工大学材料科学与工程专业，助理工程师，从事工艺技术工作。
来源：机械管理开发