常用Cr-Ni系滲碳鋼齒輪的熱處理工藝

■金榮植

Cr-Ni系滲碳鋼具有較高的強韌性，用于傳遞功率大、齒輪表面載荷高、有沖擊及形狀復(fù)雜的重要齒輪，如重載汽車、坦克、鐵路機車、風(fēng)力發(fā)電、汽輪機、冶金與軋鋼機械、船舶與航空發(fā)動機等裝備上的齒輪。常用Cr-Ni系滲碳鋼有12Cr Ni3、20Cr Ni、12Cr2Ni4、20Cr Ni3、20Cr2Ni4、17Cr2Ni2（德國ZF1鋼）、18Cr2Ni4WA等。通過選擇合理的熱處理工藝可以使齒輪獲得較好的使用性能。

一、常用Cr-Ni系滲碳鋼齒輪的熱處理工藝

1. 齒輪鍛坯預(yù)備熱處理工藝

表1為常用Cr-Ni系滲碳鋼齒輪鍛坯預(yù)備熱處理工藝。

2. 齒輪滲碳淬火及回火工藝

常用Cr-Ni系滲碳鋼齒輪滲碳淬火、回火規(guī)范及硬度見表2。

表1 常用Cr-Ni系滲碳鋼齒輪鍛坯預(yù)備熱處理工藝

表2 常用Cr-Ni系滲碳鋼齒輪滲碳淬火、回火規(guī)范及硬度

表3 常用Cr-Ni系滲碳鋼齒輪二次加熱淬火的加熱溫度

3. 齒輪二次加熱淬火溫度

（1）二次（重新）加熱淬火 Cr-Ni系滲碳鋼齒輪在滲碳結(jié)束后緩冷至室溫，重新加熱至輪齒心部Ac3以上溫度進行淬火，以細化奧氏體晶粒，改善心部組織，消除滲碳層的網(wǎng)狀碳化物，可以提高抗彎疲勞強度20%左右。常用Cr-Ni系滲碳鋼齒輪二次加熱淬火的加熱溫度見表3。

（2）滲碳齒輪的兩次淬火 Cr-Ni系滲碳齒輪滲碳結(jié)束緩冷至室溫，先進行一次高于心部Ac3以上溫度的淬火，以細化心部晶粒并消除滲碳層網(wǎng)狀碳化物。這一溫度對于滲碳層淬火來說是太高了，因而必須再進行一次高于滲碳層Ac1溫度，但低于Acm溫度的淬火，以改善滲碳層組織。常用Cr-Ni系滲碳鋼齒輪兩次淬火的加熱溫度見表4。

表4 常用Cr-Ni系滲碳鋼齒輪兩次淬火的加熱溫度

表5 常用Cr-Ni系滲碳鋼齒輪滲碳后的各種熱處理方式

表6 滲碳、碳氮共滲后冷卻方式（直淬除外）的選擇

4. 齒輪滲碳后的熱處理方式

（1）熱處理工藝的選擇 不同鋼材的齒輪經(jīng)滲碳（碳氮共滲）后，根據(jù)要求進行不同的淬火及回火處理，其工藝見表5。

（2）冷卻方式的選擇 滲碳（碳氮共滲）后不直接淬火的Cr-Ni系滲碳鋼齒輪的各種冷卻方式參見表6。

二、典型Cr-Ni系滲碳鋼齒輪滲碳淬火工藝

1. 12Cr2Ni4A鋼錐齒輪滲碳淬火工藝

12Cr2Ni4A鋼錐齒輪畸變要求嚴格，設(shè)計制造精度6~7級，其熱處理工藝如下。

（1）滲碳及高溫回火齒輪滲碳在RJJ-75-9T型井式滲碳爐中進行。先加熱（870±10）℃×60min，升溫至（900±10）℃×90min，再升溫至925℃×120~240mi n滲碳后空冷。640~680℃×2h高溫回火。

（2）淬火將齒輪置于裝有木炭保護的保護盒內(nèi)，齒部向上平放在鐵絲網(wǎng)上，然后加蓋，并進行加熱（810±10）℃×40~60min，保溫結(jié)束后置于平板吊裝夾具上，迅速轉(zhuǎn)入160~220℃硝鹽槽中分級冷卻，空冷至室溫。齒輪再經(jīng)清洗、冷處理、180℃×2h低溫回火及噴砂等工序。

（3）檢驗 經(jīng)檢驗：碳化物≤5級，馬氏體≤4級，殘留奧氏體≤3級，表面硬度≥61HRC，滲碳層深度0.85~1.05mm?；冃?，經(jīng)磨齒后齒輪精度5~6級。

2. 20Cr2Ni4A鋼齒輪滲碳淬火工藝

（1）20Cr 2 Ni 4 A鋼高速、重載及有沖擊的重要齒輪熱處理工藝 高速、重載及有沖擊的重要齒輪，如重型汽車、坦克、工程車等用齒輪。齒輪材料采用20Cr2Ni4A鋼等。滲碳層深度1.2~1.8mm，齒輪表面硬度59~62HRC。

熱處理工藝路線：鍛造→退火→粗加工→去應(yīng)力→半精加工→滲碳→退火軟化→淬火→冷處理→低溫回火→精磨。

齒輪的熱處理：正火→高溫回火→滲碳→高溫回火→淬火→180~200℃低溫回火。

高溫回火及二次淬火工藝：對20Cr2Ni4等合金滲碳鋼，為了減少滲碳后的殘留奧氏體，可采用高溫回火后再加熱到800℃左右淬火。有時為了消除網(wǎng)狀碳化物，細化晶粒，也采用二次淬火工藝。

（2）20Cr2Ni4A鋼齒輪新的滲碳淬火工藝 某北方特種車輛廠對坦克車20Cr2Ni4A鋼齒輪采用新的滲碳淬火工藝，獲得較理想效果。齒輪滲碳工藝過程如下：

均溫：為減少工件畸變并均勻金相組織，工件裝入井式滲碳爐后停電1 h進行均溫，溫度為560~570℃，相當(dāng)于預(yù)熱處理。然后送電升溫。

升溫排氣：滴煤油5~5.5m L/mi n，強滲9 20℃×3 h，煤油滴量10~11m L/mi n，爐壓約2k Pa（2 0 0mm 水柱高），擴散：920℃，煤油滴量為強滲滴量的25%，2.5~2.8mL/mi n，920℃出爐氣冷，防止網(wǎng)狀碳化物出現(xiàn)。這樣可以節(jié)約時間20%~30%（約3h）。檢驗表面含碳量（質(zhì)量分數(shù)）為0.8%~1.07%。

60 0℃高溫回火：可分解殘留奧氏體至10%~15%（體積分數(shù)）。

圖1 20Cr2Ni4鋼齒輪軸離子滲碳工藝曲線

二次淬火：810℃通NH3進行碳氮共滲，然后淬火。

低溫回火：150℃×3h。

最終檢驗：金相組織碳化物呈顆粒狀， 表面硬度60~63HRC。

（3）20Cr 2Ni 4A鋼高精度重載齒輪最佳碳氮復(fù)合處理工藝 最佳熱處理工藝：在RJJ-75-9 T滲碳爐中，920℃×4h碳氮共滲，煤油4~6m L/mi n，氨氣10~12L/mi n，空冷；570℃×3h進行氣體氮碳共滲，然后再隨爐升溫至800℃×10mi n，油冷；最后150℃×3h回火，空冷。

工藝特點：該復(fù)合工藝處理后，齒輪耐磨性優(yōu)于滲碳和碳氮共滲，適合于高精度重載齒輪。

（4）20 Cr2 Ni4鋼齒輪軸離子滲碳工藝 齒輪軸采用20 Cr 2Ni 4鋼制造。離子滲碳工藝見圖1。采用離子滲碳爐（30＋60）k W進行重載齒輪軸滲碳時，裝爐量為120kg。

（5）20 Cr2 Ni4A 鋼的稀土低溫高濃度氣體滲碳直淬工藝 齒輪材料20Cr2 Ni4A，其傳統(tǒng)滲碳工藝路線為：滲碳→高溫回火→淬火→低溫回火。設(shè)備與工藝：設(shè)備采用RQ-105-9D型井式氣體滲碳爐，滲碳劑為煤油，稀釋劑為甲醇，傳統(tǒng)滲碳工藝為：920℃×6h滲碳，碳勢C p為1.0%（質(zhì)量分數(shù)），滲碳結(jié)束后出爐空冷。高溫回火：650~680℃×6h。淬火：800~820℃出爐在油中淬火。低溫回火：180℃×3h。

改進工藝是把低溫滲碳、高碳勢滲碳以及稀土的催滲和微合金化作用三者的特點相結(jié)合而創(chuàng)立的，已獲得專利（CN1061443A）。該工藝實現(xiàn)了20Cr2Ni4A鋼齒輪滲碳后直接淬火，使?jié)B碳工藝大為簡化。由于滲碳溫度從原來920℃降至改進后的860℃，使齒輪的熱處理畸變明顯減小。

改進工藝：（860±5）℃ ×8h滲碳，碳勢C p為1.2%（質(zhì)量分數(shù)），滲碳結(jié)束出爐后在油中淬火，最后進行低溫回火180℃×3h。其工藝見圖2。

檢驗結(jié)果：在滲碳層的過共析區(qū)沉淀析出細小顆粒狀彌散分布的碳化物（碳濃度明顯提高），使奧氏體的穩(wěn)定性大幅下降，滲碳表面硬度達到58HRC以上。

（6）較高強韌性配合的Cr-Ni系滲碳鋼齒輪滲碳后的淬火＋淬火工藝 大中型重載水泥、冶金和船用齒輪，材料為20Cr2Ni4、12Cr Ni3等滲碳鋼。滲碳后采用淬火處理比采用空冷正火處理（滲碳空冷→高溫回火→淬火→低溫回火），能夠得到較好的強韌性配合和更高的塑韌性指標(biāo)，其中沖擊吸收能量提高50%以上。

滲碳后淬火＋淬火的工藝（即滲碳淬火→高溫回火→淬火→低溫回火）適合于需要較高強韌性配合的零件。

3. 12Cr2Ni3A鋼淺層氣體碳氮共滲工藝

（1）12Cr2Ni3A鋼齒輪熱處理工藝 氣體碳氮共滲工藝見圖3。碳氮共滲（830±10）℃→空氣預(yù)冷后油淬→－70℃冷處理→（160±10）℃×2h二次回火→空冷。

（2）檢驗碳氮共滲層深度0.13~0.15mm，表面硬度762~782HV，心部硬度≥250HV，抗拉強度Rm為1235~1265MPa，伸長率A 為13.2%~13.8%，沖擊韌度αK為91~93J/cm2。

4. 18Cr2Ni4W鋼齒輪熱處理工藝

（1）18Cr2 Ni4W鋼齒輪熱處理工藝 滲碳設(shè)備采用易普森TQF-13型多用爐，碳勢控制由碳控儀自動進行調(diào)節(jié)。熱處理工藝：滲碳940℃×8h，隨爐降至900℃×0.5h，再降爐溫至860℃×05h，出爐空冷→650 ℃×6h 高溫回火后空冷→810 ℃×5h 加熱，油冷→冷處理（－50 ℃×1h）→180~240℃×4h回火后空冷。檢驗：表層少量碳化物＋細小馬氏體組織 ＋殘留奧氏體，表面硬度為60~61HRC，符合技術(shù)要求。冷處理工藝：加熱810℃×5h，然后進行冷卻→冷處理（－50℃×1 h）→回火180~240℃×4h。經(jīng)240℃×4h回火后，齒輪表面硬度62~63HRC，無磨削裂紋。

（2）18Cr2Ni4WA 鋼錐齒輪固體滲碳馬氏體等溫淬火工藝 消除應(yīng)力處理：620~630℃×2~3h，空冷。滲碳及高溫回火：固體滲碳劑采用商品固體滲碳劑，新舊滲碳劑為1∶3；（880±10）℃×4~4.5h，出爐后隨滲碳箱冷卻；高溫回火為（650±1 0）℃×2~3 h×3次。 馬氏體等溫淬火：500~600℃×1h（電爐預(yù)熱），（790±10）℃×10~12mi n（鹽浴爐加熱），預(yù)冷至500~600℃在硝鹽爐（160±10）℃×30mi n等溫，空冷；（170±10）℃×3h空冷回火。

圖2 20Cr2Ni4A鋼齒輪稀土低溫高濃度滲碳直淬工藝

圖3 12Cr2Ni3A鋼齒輪薄層碳氮共滲工藝曲線