探討齒輪滲碳熱處理技術的新進展

李 濤

（太重煤機有限公司，山西 太原 030032）

在我國，隨著機械工程對齒輪質量和承載能力的規定不斷完善，齒輪滲碳熱處理技術也在不斷發展。80年代開始逐步開展硬齒面制造技術的大規模科學研究，引進國外優秀的硬齒面制造技術，建立了硬齒面原材料熱處理工藝的基本生產工藝在我的國家。提高齒輪制造技術水平。時至今日，在汽車齒輪層面，已能夠量產汽車、工程車輛、大型拖拉機、摩托車等各類滲碳淬火齒輪；在工業生產齒輪水平上，它已經能夠產生高達10千瓦的功率和210m/秒的角速度。m各種滲碳淬火齒輪，大部分可達到冶金、礦山、石油化工、起重運輸、建材設備、航天四軸飛機、船舶汽車發動機等主要參數齒輪的生產制造。隨著工業化的發展趨勢，齒輪設計方案的主要參數不斷提高，對齒輪的性能指標、使用壽命和穩定性提出了更高的要求。

1 齒輪硬化層深度與疲勞剝落

1.1 重載大模數齒輪的早期失效

重型汽車的后橋齒輪、軋機齒輪、礦機齒輪、船舶齒輪等重載大模數齒輪具有一個幾何特征，即輪齒的曲率半徑大。根據HZ基本理論，從輪齒表面傳播到芯部的剪應力與曲率半徑有關。輪齒的曲率半徑越大，剪切應力的最大值越重，地應力在曲線上的傳播越輕。與這種遍地曲線相匹配的表面某一深層的抗壓強度非常高。 C點抗壓強度小于大齒輪的載荷應力，因此，在C點產生疲勞裂紋，最終導致脫落，大模數齒輪的這一特性通常被忽視。根據上述結構力學分析，為更好地避免重載大模數齒輪的初始疲勞，在齒輪熱處理過程中發生了“深滲碳”加工過程，滲碳層數為8mm~10mm深和4mm~6mm深齒輪滲碳在國內應用廣泛，實際效果很好。

1.2 過度磨削與疲勞剝落

滲碳熱處理的齒輪由于其畸變而必須進行磨削。磨削量的關鍵在于齒輪的湍流度。根據我國目前的情況，根據齒輪修形系數大小和齒輪的結構規格，磨削量（齒的一側）一般在0.2mm～0.6mm范圍內，有的可達0.8mm甚至1mm。深磨會降低表面的最佳強度和合金成分。此外，還缺少對表面具有優良效果的殘余壓應力。眾所周知，滲碳硬底層對接頭區域的危害通常被忽略。滲碳齒輪的強度分布和應力分布可以看出，磨齒前的應力分布曲線B遠小于硬底所有深層的抗壓強度（A曲線）層。當軸頸磨損到一定深度時，應力分布曲線由e曲線變為C（斜線），強度分布曲線不易發生變化。因此，C曲線和A曲線相交的D點通常在滲碳硬底層的接合區，擴大了深部無效層的選擇性。因此，有時對深埋無效齒輪的硬底層的強度和金相進行開發。檢查過程中沒有發現問題。實際上，這是由于忽略了過大的磨削量引起的切削應力曲線的偏移，從而使接合區的抗壓強度小于載荷應力。

1.3 心部硬度與疲勞剝落

當附加載荷一定時，芯部硬度高（H），硬化層淺，不易產生疲勞和剝落；當芯部硬度較低時，需要更深的硬化層，以避免疲勞和剝落；當心硬化層硬度一定時，如果硬化層較淺，難免會造成疲勞剝落（剩余斜線區抗壓強度不足）。當硬化層的深層為圖形時，硬化層太深，則不具備良好經濟性，彎曲疲勞極限也會造成不良影響；一段時間以來，我國許多輕型卡車后橋的齒輪軸有比較嚴重的脫皮和失效現象。

2 滲層淬透性與齒輪滲碳工藝

2.1 滲層淬透性與碳含量關系

選擇低碳環保的碳鋼滲碳（如20 CrMo氣體鋼滲碳），滲碳層從表面到里面其實變成了90CrMo、80CrMo.……30CrMo、20CrMo鋼。呈階梯狀分布，通過測定，得出各層淬透性，圖1是20CrMo鋼淬透性與含碳量的相關性。該數字由等強度曲線表示。從圖1可以看出，高韌性（664 HV）曲線和合理的硬化層邊界強度（550 HV）曲線的最大淬透性與含碳量在0.6%～0.7%范圍內匹配，較高或低于此碳含量的淬透性降低。圖中J為端部淬火距離。從20 CrMo鋼層的淬透性與含碳量的相關性可以看出，當層的含碳量為0.9時，最大淬透性為1.0%和1.1%的含碳量。層次分明。這種滲碳層的淬透性與含碳量的關系對滲碳熱處理工藝的制定和安全事故的分析具有指導作用。

圖1 20CrMo鋼淬透性曲線

2.2 滲層淬透性與有效硬化層深度關系

臨界碳含量：現階段，硬底層明確合理的規則是淬火達到550HV強度的臨界碳含量為0.35或0.40%。但是，世界各國的試驗科學研究工作表明，可以通過淬火獲硬化層。550HV匹配的碳含量，即極限碳含量，與多種元素有關。首先是鋼的鋁合金成分。如果淬火制冷標準固定，冷速淬火，只有5MnCr5鋼的臨界碳含量為0.35，20NMoCr6和17CrNMo6鋼的臨界碳含量約為0.30%，20MoCr4鋼的臨界碳含量約為0.30%。極限碳含量約為0.39%。根據鋁合金成分對滲層淬透性的危害，當鋼材成分引起波動時，也存在損害極限碳含量的問題。它不能用于制造。這是一個要避免的客觀事實，因為傳動齒輪制造商往往選擇不同鋼廠、不同爐號和批號的原材料。這種鋼的成分波動是不可避免的；并且都在允許范圍內，但滲氮后滲層的淬透性差異取決于對合理硬底層的深層造成的危害。

滲碳加工工藝的計算機系統控制：現階段，我國大部分關鍵傳動齒輪生產企業已完成滲碳主要參數的計算機系統控制。眾所周知，根據影響滲碳層切削性能的因素分析，是不一樣的。不銹鋼板和傳動齒輪的規格和制冷標準；熱處理后要求的合理硬化層一定要深。極限碳含量不是一個穩定的標準值。但目前滲碳過程電子計算機監控軟件還沒有考慮到這一點，設置為0.35%或0.40%。例如位移系數為10mmφ200mm的軸套，需要合理的硬化層深度為1.6mm。碳在淬火油中緩慢混合熱處理后。根據計算，1.6mm處的冷卻速度相當于16。當原材料為20CMnT鋼時，得到的極限碳含量約為0.45%，得到圖2所示的匹配碳濃度。在數值分布曲線上，如果原材料改為20CMrMo鋼，由于其極限含碳量在0.35%左右，如果仍按曲線1滲碳，則硬化層的合理深度大大超過1.6mm，應調整到曲線2的分布。從曲線1調整到曲線2可以節省20%以上的滲碳時間。所以現在使用的滲碳過程監控軟件只完成了碳濃度值的分布，還不能實現硬化層的分布。應進行深入開發，進一步完成高精度熱處理。火氣體中的可燃氣體成分必須在5%以下，才能保證機械設備的安全系數，降低安全期成本。由于目前推桿爐的工作循環時間為6~10分鐘，滲碳時必須使用氣體循環系統設備 。圖3詳述了淬火裝置的設計和氣體滲碳線的改進。在氣體滲碳室和氣體淬火工作壓力室之間，有一個中間室，帶有翻轉傳送系統軟件，可以以小于10秒的速度穩定地傳送到淬火室。中間室的通道很窄，使爐內co2對淬火室中N2的干擾降到最低。中門的N2由于工件的溫度危害而受熱膨脹，進而使旋風向工件的相反方向運動。工件傳送到淬火裝置后，中門關閉。為進一步降低可燃氣體成分，淬火室密封后可按預自動排氣閥進行排氣。因為提高真空度并沒有增加淬火氣體凈化處理，而且根據循環時間和氣體獲取量的減少，可燃氣體可以穩定在5%以下。使用氣淬的優點是不需要后清洗工序，不需要清理材料和油污，減少零件的湍流，可以節省切削工序，氣淬裝置可代替油淬，這不僅適用于新的爐型，而且對于當代的基本爐也非常好。

圖2 齒輪有效硬化層碳濃度分布曲線

圖3 淬火裝置的設計和氣體滲碳線

3 高壓氣淬技術在推盤式爐氣體滲碳生產線中的應用

氣淬技術具有許多銷售市場所必需的優勢。近十年來，由于氣淬生產線的大幅度改進，其應用范圍也有非常大的發展趨勢，這反過來又強調了高壓氣淬滲碳生產線的實施方向。生產線的設計原則是與LPC淬火裝置保持一致。殊不知，最重要的是盡量將爐內氣氛與淬火裝置隔開。這種分離是必要的。由于淬

4 結語

綜合上文所述，為推動熱處理工藝向設計方案推進，第八屆全國熱處理工作會議明確提出了“更精細、更經濟、更清潔”的熱處理技術發展前景，其中“精密”包括性能的規范化和量化。從文中對傳動齒輪的滲碳熱處理進行詳細分析后發現，準確的熱處理應按照《熱處理工藝設計方案》完成，即運用金屬科學的基本理論、熱處理技術和工程力學，并依托電子計算機。采用仿真技術進行滲碳傳動齒輪物理及冶金工業元素及熱處理工藝設計方案；而現在已經到了21世紀，應該明確提出“工藝技術”的核心概念。