輥底式爐對18CrNiMo7-6重載齒輪碳化物控制研究

■ 張林建，顧曉明，朱偉偉，呂藍冰，李康康

輥底式馬氏體分級淬火生產線采用硝酸鉀加亞硝酸鈉鹽浴淬火冷卻介質，分級淬火原理為滲碳齒輪在鹽浴中完成齒輪心部組織轉變，后在風冷臺空氣中完成表面組織轉變，空氣中轉變應力小，有利于減小變形以及淬火應力。研究的輥底式馬氏體分級淬火生產線主要由上料臺、加熱爐、鹽浴槽、風冷臺、清洗機、低溫回火爐以及下料臺組成（見圖1）。

18CrNiMo7-6是常用的重載齒輪滲碳鋼，Cr、Ni含量高，淬透性優良，廣泛應用于大模數齒輪件。該材質滲碳特點為碳化物形成敏感性較高，滲碳時碳勢達到0.75%以上即可在晶界形成細網狀碳化物，淬火后將形成3級碳化物，故其對滲碳以及淬火時的碳勢波動要求嚴格。

1. 試驗材料及熱處理工藝

設備調試階段試驗齒輪，模數10，外徑1000mm，齒寬200mm，材料18CrNiMo7-6，制造工序為：鍛造→鍛后熱處理（正火+高溫回火）→半精車→滾齒→熱處理→拋丸→精車→磨削→無損檢測→烘裝→磨齒→無損檢測。熱處理后表面硬度要求值為58～62HRC，碳化物要求2級以內，殘留奧氏體要求2級以內。試驗齒輪滲碳使用井式滲碳爐，強滲碳勢1.20%，擴散碳勢0.72%，滲碳后對齒輪均布4點滲層碳含量檢測，滲層表面碳含量均勻，wC為0.70%～0.75%，齒輪周向表層晶界無可見碳化物。淬火、回火在輥底式馬氏體分級淬火生產線上完成，工藝如圖2所示，參數見表1。

圖1 輥底式馬氏體分級淬火生產線

2.性能檢驗

輥底式馬氏體分級淬火生產線淬火、回火完成后，未拋丸狀態，對試驗齒輪本體切齒檢驗，隔180°切取齒形樣塊，每個齒形樣塊對齒寬上中下進行熱處理性能檢測。性能檢測指標包括成分、組織、層深、硬度、殘余應力。

（1）化學成分 試驗材料18C r N i M o7-6化學成分按EN10084-2008驗收，符合要求，兩件試樣成分基本一致，表明試驗齒輪原材料成分均勻，具體化學成分見表2。

（2）硬度及層深 如表3所示，硬度及層深數據可分析出，試驗齒輪表面硬度達到59HRC，180°齒的表面硬度及層深均高于0°齒，從硬度方面可以判斷出兩者的組織必然存在差異。

（3）熱處理組織 對0°齒及180°齒進行組織檢驗，如圖3及圖4所示，明顯可見0°齒表面碳化物1級，殘留奧氏體1級；180°齒碳化物3級，殘留奧氏體2級，出現斷續細網狀碳化物，形態呈塊狀，角狀，斷續網狀，碳化物作為硬化物質，將顯著提高表層的硬度，組織結果佐證了表3所述的硬度結果。

圖2 輥底式爐熱處理工藝

圖3 試驗齒輪0°齒表面組織

圖4 試驗齒輪 180°齒表面組織

表1 熱處理工藝參數

表2 樣品化學成分（質量分數） （%）

表3 齒輪切齒試驗的硬度及層深

（4）殘余應力 對0°及180°齒進行殘余應力檢測，檢測部位齒根，采用X-350A型X射線應力測定儀測試。檢測參數及結果見表4。從殘余應力結果分析，180°齒的殘余壓應力低于0°齒，與180°齒表面碳化物以及殘留奧氏體數量有關，殘留奧氏體作為不穩定相，在自然時效狀態下，殘留奧氏體穩定態轉化趨勢將產生體積以及應力狀態的變化，對殘余壓應力產生負面影響。

3. 試驗結果

（1）淬火、回火后，試驗齒輪本體碳化物級別偏差2級，與滲碳態表面碳濃度結果不吻合，表明180°齒的3級碳化物來源于淬火奧氏體化階段。

（2）碳化物作為硬化物質，將提高滲碳齒輪表面硬度，同時在淬火奧氏體化階段，隨著表層含碳量的增加，碳在奧氏體中的擴散系數增大，穩定奧氏體相，降低馬氏體轉變開始點Ms點，使殘留奧氏體數量增加。

4. 結果分析

試驗齒輪最終熱處理后的性能差異源頭在于表層碳濃度差異，碳濃度差異表明輥底式爐在淬火奧氏體化過程中爐膛碳勢均勻性出現差異性問題。爐膛碳勢均勻性與爐膛結構、氣氛循環走向、碳勢及溫度變化、碳勢控制系統以及產品形狀結構有關。爐膛結構以及氣氛循環走向與設備結構及風扇布局有關；碳勢及溫度變化與碳勢控制系統以及產品形狀結構有關。該型輥底式加熱爐由預熱室、加熱室以及保溫室組成，加熱室由3個區組成、保溫室由2個區組成，加熱室與保溫室相通。風扇均勻分布在爐膛頂部，加熱室、保溫室各有一組碳勢控制系統（見圖5、圖6）。

該型設備設計主要用于軸承等零件的鹽浴淬火，碳勢最高0.85%，不會影響高碳軸承件的表面碳濃度。18CrNiMo7-6材質含Ni量高，對碳化物敏感性大，表面碳濃度達到0.75%以上即可在晶界形成細網狀碳化物。圖7為階段進爐膛時的碳勢變化模型，可見進爐開爐門時碳勢開始下降，最低至0.20%，爐門關閉后爐膛碳勢開始升高，最高達到0.85%，碳勢往復波動將在CP高值時產生大的碳濃度梯度。當進行滲碳齒輪件鹽浴淬火熱處理時，碳勢大波動形態將對原始0.70%～0.75%表面碳濃度產生影響，加之爐膛為長方體結構，零件進出時爐膛的碳勢將產生嚴重不均勻性，同時該設備不具備空氣管路對碳勢的自動調節功能（見圖8），設備的設計不合理導致爐膛的碳勢不均勻現象產生。

表4 X射線應力檢測

圖5 輥底加熱爐示意

圖6 輥底加熱爐剖視圖

圖7 輥底式加熱爐進料碳勢變化模型

圖8 原始設計進氣管位置及管路

5. 設備改造及工藝優化

表面碳化物不均勻性源于爐膛碳勢不均勻，使爐膛碳勢可控且防止形成積炭將解決表面碳化物不均勻問題。改造（見圖9）及工藝優化如下：

（1）碳勢控制增加工藝空氣系統，爐膛通過空氣泵打入工藝空氣來控制碳勢穩定性。

（2）介質進氣管改從高溫風扇頂部進入，提高介質高溫裂解效果，避免未分解介質被風扇直接吹至零件上。

（3）爐膛長8m，原始設計2個氧探頭無法精確控制長腔爐膛內碳勢變化，在保溫室一區增加一組氧探頭控制系統。

（4）預熱室保溫溫度提高至680℃，以保證產品進入820℃加熱室一區時溫度在760℃以上，使產品快速升溫到滲碳溫度，避免富化氣介質在較低溫度下無法充分分解而產生積炭問題。

通過上述四點優化，輥底式爐的碳勢均勻性得到保證，碳勢實際值偏差在±0.05%內，試驗驗證大直徑18CrNiMo7-6齒輪在輥底式爐奧氏體化淬火后的360°周向熱處理組織均勻一致。

圖9 改造后進氣管位置及管路

6. 結語

（1）18CrNiMo7-6齒輪在輥底式爐奧氏體化淬火后周向碳化物不均勻源于設備設計不合理，不具備空氣對碳勢的調節功能。

（2）對設備進行改造，碳控系統加裝空氣管路同時增加一路監控裝置，改變介質進入爐膛的路徑，提高預熱溫度，以防止積炭，通過設備改造優化可以提高爐膛的碳勢均勻性，使18CrNiMo7-6滲碳齒輪的鹽浴淬火在輥底式爐中得以實現。