17Cr2Ni2Mo齿轮轴锻造工艺研究

郭海萍 张晓旭 迟庆楠

(沈阳铸锻工业有限公司锻造分公司，辽宁110142)

近日，我公司为某公司生产了一批17Cr2Ni2Mo渗碳高速重载驱动齿轮轴。其特点是工作载荷大，零件截面大，满足检测要求难度大，易粗晶或混晶，工序多，生产制造周期长。该齿轮轴应用于出口老挝的8.5 MW半自磨机上，属于大型高速重载单驱动齿轮轴。锻件重11.97 t，锻件图如图1。

图1 17Cr2Ni2Mo齿轮轴锻件图Figure 1 Sketch of 17Cr2Ni2Mo gear shaft forging

该批齿轮轴有效截面尺寸较大，最大外圆尺寸达到∅910 mm，在我公司32 MN水压机上锻造生产，设备能力略显不足，满足JB/T5000.15—2007中Ⅱ级超声检测要求难度大。材质为17Cr2Ni2Mo，属于白点敏感性强、组织遗传性强的钢种，锻后容易出现晶粒粗大现象，锻后热处理难度大。本文通过控制原材料、控制锻造变形过程工艺参数、控制锻后热处理方法来满足大截面、大吨位轴类锻件的中心压实要求。经超声检测，未发现超标缺陷显示，检测结果优于JB/T 5000.15—2007中Ⅱ级标准。

1 原材料的选择

(1)该齿轮轴材质为17Cr2Ni2Mo，执行JB/T 6395—2010《大型齿轮、齿圈锻件 技术条件》。在原材料的选用上，优选真空精炼钢锭，内控各元素化学成分含量，严格控制钢锭内有害元素S、P及H的含量，减少钢锭原材料本身的夹杂与偏析，并要求保证P≤0.015%，S≤0.010%，[H]≤2×10-6。17Cr2Ni2Mo齿轮轴化学成分要求及实测值如表1所示。

(2)锻件采用16.2 t真空精炼钢锭锻造生产，锻造温度范围为1250～750℃。

表1 17Cr2Ni2Mo齿轮轴化学成分要求及实测值(质量分数，%)Table 1 Chemical composition requirements and actual measured values of 17Cr2Ni2Mo gear shaft (Mass, %)

2 钢锭加热

加热的目的是使钢获得单一的奥氏体组织，提高塑性，降低变形抗力，同时使分子扩散，成分均匀化。加热温度和加热时间是加热过程的主要控制参数，头几火次，尤其是镦粗工序在保证不过烧的情况下，始锻温度可以尽可能的高些，一般选择1250℃，始锻温度下的保温时间应选择长一些，一般选择每100 mm保温1～1.5 h，以达到较好的中心压实效果。最后一火次出成品工序根据剩余变形量来确定，在保证温度降至750℃之前顺利出成品的情况下，加热温度适当低一些，一般选择1150～1180℃，保温时间每100 mm选择0.7～1 h。这样保证齿轮轴锻件在要求的剩余锻比的情况下，能够得到比较细小的晶粒，保证锻件的内部质量达到标准要求。

3 具体锻造变形过程

17Cr2Ni2Mo齿轮轴锻造变形过程如表2所示。

一火：压钳口，倒棱，错水口。钢锭加热要烧均匀，压钳口时要保证钳口不要偏心，这样避免在后续拔长变形过程中钢锭轴心发生偏斜，避免大钢锭中心部位冶金质量较差部分流动到危险截面。倒棱可以有效的打碎钢锭表层的铸态组织，提高表面的塑性，防止镦粗时表面开裂。

二火：钢锭镦粗最大圆∅1700 mm，保证镦粗直径足够大，以提高锻比，使齿轮轴的综合性能指标得到提升。镦粗后增加保温时间，有利于金属元素扩散均匀和改善偏析程度，同时也为锻造时焊合大截面锻件心部的空隙缺陷创造了有利条件。因此在镦粗后、用宽砧拔长前严格控制保温温度，并将保温时间增加50%。较高的始锻温度、坯料良好的均匀加热状态为宽砧走扁方拔长、进行中心压实、焊合坯料中心疏松创造了必要条件。

三火：用800 mm宽砧大压下量走扁方拔长，合理控制布砧位置，针对轴身最大外圆位置，进行局部极限锻造，最大限度提高轴身的变形量及绝对压下量，破坏铸态组织，锻合内部缺陷，使组织均匀化，充分发挥宽砧强压压实效果，满足轴身内部质量。并根据坯料瞬时尺寸来控制压下量，控制砧宽比为0.6～0.8。具体操作过程为：上下800 mm宽砧，先将镦粗后的坯料拔方至□1580 mm。满砧进给压下率20%：(1)开始第1次走扁方拔长，以180°翻转，压至截面1900 mm×1010 mm。(2)翻转90°开始进行第2次走扁方拔长，以180°翻转，压至截面1520 mm×900 mm。(3)翻转90°压至截面950 mm。最终拔长至截面□950 mm后，倒棱滚圆，为第2次镦粗做好准备。

表2 17Cr2Ni2Mo齿轮轴锻造变形过程Table 2 Forging deformation process of 17Cr2Ni2Mo geat shaft

四火：第2次镦粗至最大圆∅1700 mm。1次镦粗破碎碳化物等非金属夹杂物，使化学成分和组织均匀分布，细化晶粒，对均匀力学性能有利。但由于该齿轮轴锻件有效截面尺寸较大，根据锻件力学性能和超声检测要求，锻造比选取K≥4。而16.5 t钢锭的尺寸为八方960 mm，1次镦粗拔长不能满足锻比的要求，故采用两次镦粗拔长工序，增加压实效果，可以更有效地锻合内部空洞缺陷。

图2 17Cr2Ni2Mo齿轮轴锻后热处理工艺曲线Figure 2 Heat treatment process curve of 17Cr2Ni2Mo gear shaft after forging

五火：同第三火的方法，用800 mm宽砧走扁方拔长至截面□950 mm，入炉加热。截面尺寸选取正方950 mm，最后一火次剩余锻造比从最大圆到最小圆分别为1.4、3.4、3.9和4.4，这样可以在更高的生产效率下保证锻件小圆部分的内部质量。

六火：换500 mm砧，按分料图分料，循环锻造出成品。该火次换500 mm砧可以提高拔长效率，避免锻造小圆部分时温度过低，从而导致钢锭变形抗力增大，难以破碎非金属夹杂物，影响锻件内部质量。

4 锻后热处理

由于该17Cr2Ni2Mo齿轮轴有效截面尺寸较大，锻造火次多，组织遗传性强，为避免该齿轮轴锻件锻后存在粗晶、混晶、白点等缺陷，锻后采用双重正回火工艺，一次高温正火细化晶粒、促使夹杂物熔断，一次常规的正火处理来调整组织，为后续超声检测及热处理做好基础技术铺垫。具体锻后热处理曲线如图2所示。

5 结论

通过控制原材料、锻造变形过程工艺参数和锻后热处理的方法，该齿轮轴粗加工后经超声检测，未发现超标缺陷显示，满足生产需要。

[1] 康大韬，叶国斌. 大型锻件材料及热处理[M]. 北京：龙门书局，1998.

[2] 刘助柏，倪利勇，刘国晖. 大锻件形变新理论新工艺[M]. 北京：机械工业出版社，2009.