滲碳齒輪的熱處理分析

劉國虎，陳　羿

(武漢人天包裝技術有限公司 基礎所，湖北 武漢 430205)

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滲碳齒輪的熱處理分析

劉國虎，陳羿

(武漢人天包裝技術有限公司 基礎所，湖北 武漢 430205)

摘要：滲碳齒輪適合用于工作條件較為繁重、惡劣的汽車、拖拉機的變速箱和后橋中。滲碳鋼的工藝性能好，經濟上也較合理，所以是較理想的齒輪用鋼。滲碳齒輪通常采用滲碳+淬火+低溫回火熱處理工藝，齒輪表面能獲得58～63 HRC的高硬度。因淬透性較高，齒心部有較高的強度和韌度。該種齒輪的表面耐磨性、抗接觸疲勞強度和齒根的抗彎強度及心部的抗沖擊能力都高于表面淬火的齒輪。

關鍵詞：滲碳；齒輪；熱處理；強度；韌度；淬火；正火；耐磨性

齒輪在機床、工程機械、船舶、航空、汽車、冶金、電力和石油化工等諸多工業領域中有著廣泛的應用。它是機器設備中傳遞功率、力和運動的重要零件。

1齒輪用鋼的選擇

齒輪用鋼及熱處理工藝，主要根據齒輪的傳動方式(開式或閉式)、載荷特性與大小(齒面接觸應力與沖擊載荷等)、傳動速度(節圓線速度)和精度要求等工作條件而定；同時，還應考慮依據齒輪模數和分度圓直徑大小提出的淬透性及齒面硬化要求、齒輪副的材料及硬度值的匹配等問題。

齒輪類零件絕大多數應選用滲碳鋼或調質鋼系列，因為它們經表面強化處理后，表面有高的強度和硬度，心部有良好韌度，能滿足使用性能要求。此外，這類鋼的工藝性能好，經濟上也較合理，所以是較理想的齒輪用鋼。

1.1輕載、低速或中速、沖擊力小、精度較低的一般齒輪

選用中碳鋼系列，如Q255、Q275、40、45、50和50Mn鋼等，常用正火或調質等熱處理制成軟齒面齒輪，正火硬度為160～200 HBW；調質硬度一般為200～280 HBW，應≤350 HBW。

因硬度適中，精切齒廓可在熱處理后進行，該工藝簡單，成本低。由于齒面硬度不高而易于跑合，但承載能力不高。這種齒輪主要用于標準系列減速箱齒輪，以及冶金機械、重型機械和機床中的一些次要齒輪。

1.2中載、中速、受一定沖擊載荷和運動較為平穩的齒輪

選用中碳鋼或合金調質鋼系列，如45、50Mn、40Cr和42SiMn鋼等，其最終熱處理采用高頻或中頻淬火及低溫回火，制成硬齒面齒輪，齒面硬度可達50～55 HRC，齒心部保持原正火或調質狀態，具有較好的韌度。由于感應加熱表面淬火的輪齒變形小，若精度要求不高(如7級以下時)，可不必再磨齒。機床中大多數齒輪就是這種類型的齒輪。對表面強化的齒輪，應注意控制硬化層深度及硬化層沿齒廓的合理分布。

1.3重載、高速或中速和承受較大沖擊載荷的齒輪

選用低碳合金滲碳鋼或碳氮共滲鋼系列，如20Cr、20MnB、20CrMnTi和30CrMnTi鋼等，其熱處理采用滲碳+淬火+低溫回火，齒輪表面獲得58～63 HRC的高硬度，因淬透性較高，齒心部有較高的強度和韌度。這種齒輪的表面耐磨性、抗接觸疲勞強度和齒根的抗彎強度及心部的抗沖擊能力都高于表面淬火的齒輪；但熱處理變形大，精度要求較高時，最后一般應安排磨齒。它適用于工作條件較為繁重、惡劣的汽車、拖拉機的變速箱和后橋中的齒輪。而對于內燃機機車、坦克和飛機上的變速齒輪，其負荷和工作條件比汽車齒輪更重、更苛刻，對材料的性能要求更高，應采用含合金元素更多的滲碳鋼系列，如20CrNi3、18Cr2Ni4WA和17Cr2Ni2MoH鋼等，以獲得更高的強度和耐磨性[1]。

1.4精密傳動齒輪或磨齒有困難的硬齒面齒輪

精密傳動齒輪或磨齒有困難的硬齒面齒輪主要要求精度高，熱處理變形小，宜采用滲氮鋼系列，如35CrMo、38CrMoA1A鋼等。熱處理采用調質+滲氮處理，滲氮后齒面硬度高達850～1200 HV(相當于65～70 HRC)，熱處理變形極小，熱穩定性好(在500～550 ℃仍能保持高硬度)，并有一定耐蝕性。

1.5尺寸較大、形狀復雜、承受一定沖擊的齒輪

某些尺寸較大(如直徑>400 mm)、形狀復雜并受一定沖擊的齒輪，其毛坯用鍛造難以加工時，需要采用鑄鋼。常用碳素鑄鋼為ZG270-500、ZG310-570和ZG340-640等，載荷較大的采用合金鑄鋼系列，如ZG40Cr、ZG35CrMo和ZG42MnSi鋼等。

2滲碳齒輪的熱處理工藝分析

2.1一般滲碳齒輪的加工工藝流程

一般加工工藝流程如下：下料→鍛造→正火→粗機械加工→半精機械加工→滲碳→淬火+低溫回火→噴丸→磨削加工[2]。

2.2典型的滲碳齒輪熱處理工藝分析

以20CrMnTi鋼為例，進行滲碳齒輪熱處理工藝分析。

2.2.1工件名稱

某汽車變速箱變速齒輪如圖1所示，所使用材料為20CrMnTi鋼。

圖1　某汽車變速箱變速齒輪示意圖

2.2.2熱處理技術條件

滲碳層深度為0.8～1.2 mm，滲碳層碳的質量分數為0.8%～1.5%，熱處理后齒面硬度為58～62 HRC，心部硬度為33～48 HRC。

2.2.3加工工藝流程

加工工藝流程如下：坯料→鍛造→正火→機械加工齒形→滲碳化學熱處理→預冷直接淬火→低溫回火→磨齒。

2.2.4熱處理工藝規范

1)正火。加熱溫度為950～970 ℃、保溫時間為3 h，到溫后出爐空冷[3]。

2)滲碳化學熱處理(見圖2[4])。滲碳設備一般選用RQ型井式氣體滲碳爐，滲碳劑通常選用煤油和甲醇。滲碳階段的爐氣組成見表1。

3)預冷直接淬火。滲碳后預冷至850～860 ℃即可直接油冷淬火。

4)低溫回火。淬火后應立即進行(180±10)℃的低溫回火。

圖2　20CrMnTi鋼汽車變速器齒輪的氣體滲碳工藝曲線

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2.2.5熱處理工藝解析

1)正火。其目的是消除鍛造應力及不良組織，改善切削加工性。因該鋼是低碳合金鋼，碳含量低，塑性大，切削時“粘刀”現象嚴重，為改善切削加工性能，采用高溫正火[5]。經正火后，工件的硬度為156～207 HBW[6]。

2)滲碳化學熱處理。采用滴注式氣體滲碳爐，它給予工件表層高的碳含量(0.8%～1.5%)。滲碳劑的選用應考慮到滲碳能力強，裂解后產氣量高、材料來源廣和成本低等因素，因此選用煤油和甲醇[7]。

由于20CrMnTi鋼的上臨界點AC3約為825 ℃，滲碳時應全部轉變為奧氏體。而γ-Fe的溶碳能力遠在α-Fe之上；因此，20CrMnTi鋼的滲碳溫度應>825 ℃，但綜合考慮滲碳速度、裝爐量及滲碳過程中齒輪的變形等問題，實際選用930 ℃為最佳滲碳溫度。根據載荷的大小選擇滲碳層深度，該鋼件的滲碳層深度技術要求為0.8～1.2 mm，一般強滲時間約為2 h，擴散時間約為1.5 h(見圖2)。

3)預冷直接淬火。為了獲得表面硬內部韌的性能要求，滲碳鋼件應經過熱處理。由于20CrMnTi鋼是本質細晶粒鋼，特別是鋼中含有強碳化物形成元素Ti，它強烈阻止奧氏體晶粒長大，經長時間滲碳后奧氏體晶粒并不明顯長大，故可采用預冷直接淬火法。預冷的目的是減少淬火時的殘余奧氏體量及淬火時的畸變；工件經滲碳后預冷至(840±10) ℃即可直接油冷淬火。淬火后工件表層獲得細針狀馬氏體+少量均勻分布的碳化物+少量殘余奧氏體組織，工件心部為細小板條馬氏體+少量鐵素體組織。

4)低溫回火。工件淬火后應立即進行低溫回火。其目的是降低脆性，減少淬火應力，穩定組織，使工件保持高硬度、高強度、高耐磨性，以及足夠的塑韌性。經低溫回火后齒輪齒面硬度為58～62 HRC，心部硬度為33～48 HRC。該齒輪具有足夠的強度和韌度，達到了技術要求[8]。

2.2.6熱處理工藝技術實施要點

1)正火雖然能改善切削加工性，但效果并不令人滿意。由于連續冷卻，難以獲得均勻的組織和硬度，可采用下述措施進一步改善其切削加工性。

a.采用等溫正火工藝，即將工件加熱至920～960 ℃、保溫2.5 h，風冷至620～650 ℃等溫保持75 min，再風冷60 min，降至300 ℃空冷。該工藝獲得的組織為晶粒較粗大(2～6級)的先共析鐵素體+均勻分布的細片狀珠光體，硬度為160～180 HBW，切削加工性能大大改善。

b.試驗采用不完全淬火即加熱至AC1以上淬火，可以獲得低碳馬氏體+鐵素體的混合組織，硬度為20～25 HRC時，工件具有良好的切削加工性能。試驗結果表明，20CrMnTi鋼經不完全淬火后，插齒表面粗糙度可達Ra0.4～Ra3.2 μm，切削刀具壽命提高3～4倍。

2)采用滴注式氣體滲碳爐，也可采用多用爐或連續式氣體滲碳爐，其共同特點是具有可靠的碳勢控制技術。

3)應注意預冷淬火，預冷的溫度不能<830 ℃，否則工件心部有鐵素體析出，會使鋼的心部強度等力學性能[9]降低。

3結語

滲碳層的性能取決于表面碳含量、碳濃度梯度及淬火后的滲層組織。一般希望滲層碳分布平緩，表面碳含量控制在約為0.9%。由于殘余奧氏體較軟，塑性較高，借助微區的塑性變形可松馳局部應力，延緩微裂紋的擴展，滲碳層中有25%～30%的殘余奧氏體，反而有利于提高接觸疲勞強度。表面粒狀碳化物增多，將提高表面耐磨性及接觸疲勞強度；但碳化物數量過多，特別是呈粗大網狀或條塊狀時，將使沖擊韌度、疲勞強度等性能變差，應加以限制。

參考文獻

[1] 王忠誠，齊寶森，李楊. 典型零件熱處理技術[M]. 北京：化學工業出版社，2010.

[2] 支道光. 機械零件材料與熱處理工藝選擇[M]. 北京：機械工業出版社，2008.

[3] 潘健生，胡明娟. 熱處理工藝學[M]. 北京：高等教育出版社，2009.

[4] 樊東黎，等. 熱處理工程師手冊[M]. 2版. 北京：機械工業出版社，2005.

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[6] 中國熱處理學會. 熱處理手冊：第2卷[M]. 4版. 北京：機械工業出版社，2008.

[7] 李泉華. 熱處理實用技術[M]. 3版. 北京：機械工業出版社，2007.

[8] 許天已. 鋼鐵熱處理實用技術[M]. 2版. 北京：化學工業出版社，2008.

[9] 王廣生，等. 金屬熱處理缺陷分析及案例[M]. 2版. 北京：機械工業出版社，2007.

責任編輯鄭練

Analysis of Heat Treatment of Carburizing Gear

LIU Guohu，CHEN Yi

(Wuhan Rentian Packaging Technology Co., Ltd., Wuhan 430205, China)

Abstract：Carburizing gears are suitable for heavy and bad working conditions with cars and tractors in gearbox and rear axle. The process of this kind of steel is good, and the economy is reasonable, so it is the ideal gear steel. Carburizing gear is usually used for carburizing, quenching, and low temperature back heat treatment process, gear surface can get 58-63 HRC high hardness. Because of the high degree of quenching, the heart has higher strength and toughness. The gear surface wear resistance, resistance to contact fatigue strength and tooth root bending strength of the heart and the anti impact ability are all higher than the surface hardening gear.

Key words:carburizing, gear, heat treatment, strength, toughness, quenching, normalizing, wear resistance

收稿日期：2015-07-03

作者簡介：劉國虎(1971-)，男，高級工程師，碩士，主要從事冶金工程工藝設計和機械設計等方面的研究。

中圖分類號：TG 156

文獻標志碼:B