依据我国钢号命名规则，可将SNCM420H-K钢命名为22CrNi2MoNbH，该钢属于保证淬透性钢，它的化学成分如表1所示。SNCM420H-K含有较高的Mn、Cr、Ni、Mo，4种合金元素的加入可提高该材料的淬透性、心部的强度，降低了低温脆性;并且SNCM420H-K添加了微量Nb元素，Nb能与N、C结合，形成氮化物、碳化物，可显著提高再结晶温度，阻止奥氏体晶粒的长大，从而细化晶粒，改善材料的性能，使渗碳直接淬火成为可能。
表1 SNCM420H-K化学成分(质量分数)(%)
根据相关文献的研究结果显示含Nb的20CrNi2Mo钢在880℃、900℃、920℃、940℃、960℃温度下保温1h后淬水后的奥氏体晶粒度，在880℃、900℃、920℃下该钢晶粒度没有明显变化;在940℃、960℃下该钢晶粒有较为明显的长大;在920℃保温10h后晶粒没有发生明显的长大，晶粒度为8～9级，由此确定含Nb的20CrNi2Mo钢的渗碳温度为920℃，由于SNCM420H-K与含Nb的20CrNi2Mo化学成分相近，选择920℃作为SNCM420H-K钢的渗碳温度。
1.SNCM420H-K齿轮渗碳二淬火工艺
SNCM420H-K钢选用东北特钢生产的Φ200mm圆钢，化学成分见表2，齿轮工艺简图如图1所示。该齿轮的渗碳组织要求：节圆处硬化层要求2.4～3.0mm，齿根处硬化层深度≥1.5mm，心部硬度269～352HBW，马氏体、残留奥氏体1～4级，碳化物1～4级，表面硬度60～64HRC，晶粒度≥7级。该齿轮生产路线：下料→锻造→正火→粗车→精车→滚齿→渗碳→淬火→高温回火→车螺纹→二次淬火→低温回火→磨端面→磨齿，渗碳二次淬火工艺曲线如图2所示。
图1 齿轮工艺简图
表2 试验用SNCM420H-K化学成分(质量分数)(%)
图2 SNCM420H-K齿轮渗碳二次淬火工艺 曲线图
完成低温回火工序后剖切检验齿轮。金相组织如图3所示，齿轮渗碳区组织为：回火马氏体+残留奥氏体1级，少量碳化物1级，晶粒度9级。心部组织为：回火索氏体+少量铁素体，晶粒度8级;心部硬度278～339HBW，满足工艺要求。
图3
低温回火后检测齿轮轴的径向圆跳动值，并与渗碳前进行对比，得出渗碳二次淬火的变形量，变形量数据如表3所示，平均变形量约涨大0.044mm，淬火后涨大变形增加了后工序磨齿的磨削量。
表3 SNCM420H-K齿轮渗碳二次淬火变形量
2.SNCM420H-K渗碳直接淬火工艺
根据渗碳直接淬火工艺，调整工艺路线、工艺参数及相关生产过程，工艺路线调整结果：生产路线为下料→锻造→正火→粗车→精车→滚齿→车螺纹→渗碳→淬火→低温回火→磨端面→磨齿，渗碳直接淬火工艺曲线如图4所示。
图4 SNCM420H-K齿轮渗碳直接淬火工艺曲线图
完成低温回火工序后，剖检渗碳直接淬火齿轮，渗碳区组织：回火马氏体+残留奥氏体1级+碳化物2级，晶粒度9级。心部：回火索氏体+少量铁素体，晶粒度9级，心部硬度297～373HBW。将SNCM420H-K渗碳直接淬火齿轮与SNCM420H-K二次淬火齿轮的金相组织对比可看出，两者基本相当，心部硬度稍有提高，由此可判断，渗碳直接淬火对SNCM420H-K钢渗碳组织影响不大，可使用渗碳直接淬火工艺取代渗碳二次淬火。
图5
低温回火后检测齿轮的径向跳动值，并与渗碳前进行对比，得出渗碳直接淬火变形量结果，部分变形量如表4所示，平均变形量约涨大0.03mm，较渗碳二次淬火工艺变形量减小0.014mm，齿轮变形减小32%，畸变率大大减小。因此，减小一次淬火过程能够有效的减小淬火变形，减小了后续磨削量，降低生产成本，并且取消一次淬火工序，节约了能源。
表4 SNCM420H-K齿轮轴渗碳二次淬火变形量
3.结语
SNCM420H-K钢渗碳直接淬火组织与传统渗碳二次淬火工艺组织基本相当，但减少一次淬火工序可较大的减小齿轮轴的变形量，减小磨削量，降低能耗，节约了生产成本，提高了生产效率。经多年验证，我公司生产的SNCM420H-K渗碳直接淬火齿轮在使用过程中未出现任何异常问题。