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高温渗碳齿轮钢的组织及疲劳性能研究

作　者: 杨延辉
导　师: 陈敬超
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 齿轮钢高温渗碳微合金化奥氏体晶粒疲劳强度
分类号: TG156.81
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

高温渗碳是齿轮生产中的一项新技术,具备省能源、效率高、污染少等突出优点。由于高温渗碳温度高达1000℃,对齿轮晶粒长大趋势提出了苛刻的要求。常用齿轮钢采用A1N析出相细化晶粒,经高温渗碳后奥氏体晶粒易粗化。Nb/Ti析出相的溶解温度较高,因而高温渗碳齿轮钢常采用Nb/Ti等元素微合金化。本文在20CrMn钢的基础上,添加微合金化元素Nb/Ti,得到20CrMnTi(0.054%Ti)钢、20CrMnNb (0.077%Nb)钢和20CrMnTiNb (0.048%Nb+0.038%Ti)钢,研究了Nb/Ti微合金化对齿轮钢晶粒长大规律的影响。通过旋转弯曲疲劳试验,研究试验钢经1000℃高温渗碳后的疲劳性能及疲劳破坏机理。试验钢奥氏体晶粒长大试验表明：添加0.048%Nb+0.038%Ti的20CrMnTiNb钢中析出相的平均间距最小,钉扎晶界的作用最大,晶粒长大趋势最小。20CrMnTiNb钢经1000℃奥氏体化10h后,其奥氏体晶粒细小均匀,平均晶粒尺寸为14μm。在930～1000℃奥氏体化时,由于20CrMn钢中仍有大量弥散分布的析出相,晶粒长大趋势较20CrMnTi钢和20CrMnNb钢不明显；而在1000～1200℃奥氏体化时,20CrMn钢中的A1N析出相大量溶解,使得其晶粒长大趋势明显大于20CrMnTi钢和20CrMnNb钢。此外,在各奥氏体温度下,20CrMnNb钢中的析出相平均间距都小于20CrMnTi钢,因此20CrMnNb钢晶粒长大趋势小于20CrMnTi钢。试验钢经渗碳后的组织及力学性能试验表明：经1000℃渗碳后,20CrMnTiNb钢中析出相钉扎作用最强,组织最为细小,抗拉强度最高(1610MPa),冲击韧性较好(室温：93J；-40℃：73J)。虽然20CrMnNb钢的冲击韧性(室温：103J；-40℃：74J)稍高于20CrMnTiNb钢,但其抗拉强度(1560MPa)低于20CrMnTiNb钢；20CrMn钢和20CrMnTi钢的综合力学性能都低于20CrMnTiNb钢。相比于经930℃渗碳后,四种试验钢的组织出现不同程度粗化,其力学性能也相应地降低。试验钢经渗碳后旋转弯曲疲劳试验表明,试验钢渗碳后的疲劳性能与渗碳层晶粒尺寸以及钢中氧含量密切相关。经1000℃高温渗碳后,20CrMnTiNb钢渗层晶粒尺寸最小,晶界曲折度最大,起源于渗层的裂纹扩展阻力最大,且钢中氧含量最低(10ppm),夹杂物起裂几率降低,因而其疲劳极限最高(1050MPa)。20CrMnTi钢渗层晶粒尺寸最大,裂纹扩展阻力下降,且钢中氧含量最高(19ppm)。此外有效渗层深度(0.7mm)和残余奥氏体量(6.9%)都偏低,综合因素使其疲劳强度最低(840MPa)。20CrMn钢和20CrMnNb钢经1000渗碳后的疲劳极限在20CrMnTiNb和20CrMnTi之间。试验钢经930℃渗碳后,由于渗层残余奥氏体含量都偏高(超过30%),疲劳试样表面基体起裂几率增多,使得试验钢的疲劳强度低于经1000℃渗碳后的疲劳强度。

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