常用Cr-Ni-Mo系鋼齒輪的熱處理工藝

哈爾濱匯隆汽車箱橋有限公司（黑龍江 150088）金榮植

Cr-Ni-Mo系鋼經(jīng)滲碳、淬火和回火后的各種力學(xué)性能優(yōu)越，目前主要用于兩類齒輪，一類是大型軋鋼機(jī)減速器齒輪、人字齒輪、機(jī)座齒輪，大型帶式輸送機(jī)傳動(dòng)軸齒輪，大型錐齒輪，大型挖掘機(jī)傳動(dòng)器主動(dòng)齒輪，井下采煤機(jī)傳動(dòng)器齒輪，重型汽車驅(qū)動(dòng)橋弧齒錐齒輪及坦克用齒輪等，齒輪性能要求為：傳遞功率大、齒輪表面載荷高、耐沖擊，齒輪尺寸大，要求淬透性高；另一類是冶金、化工、電站機(jī)械設(shè)備及鐵路機(jī)車、宇航、船舶等汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)、工業(yè)汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、高速鼓風(fēng)機(jī)及透平壓縮機(jī)等使用的齒輪。齒輪性能要求為運(yùn)行速度高、周期長、安全可靠性高。

由于Cr-Ni-Mo系鋼工藝性能差，齒輪鍛坯要經(jīng)過復(fù)雜的預(yù)備熱處理后才能切削加工，通常滲碳后不能直接淬火，要經(jīng)過二次加熱淬火，以減少殘留奧氏體。因此，熱處理工藝復(fù)雜。由于齒輪技術(shù)要求不同，其熱處理工藝也不盡相同。

一、17CrNiMo6鋼齒輪熱處理工藝

1.17CrNiMo6鋼重型汽車驅(qū)動(dòng)橋弧齒錐齒輪熱處理工藝

17CrNiMo6鋼（德國標(biāo)準(zhǔn)DIN 17210—1986）是德國ZF公司開發(fā)的高強(qiáng)度、大模數(shù)齒輪滲碳鋼，用于重型汽車驅(qū)動(dòng)橋弧齒錐齒輪等。目前此鋼已經(jīng)完成國產(chǎn)化。

（1）齒輪鍛坯等溫正火工藝 加熱950℃×150min后風(fēng)冷至660℃并保溫150min。鍛坯硬度173～197HBW，金相組織為塊狀珠光體+鐵素體。

（2）齒輪雙排連續(xù)式滲碳爐滲碳工藝 表1為雙排連續(xù)式滲碳爐滲碳工藝參數(shù)。其工藝特點(diǎn)是，此鋼比22CrMoH鋼的滲碳與淬火溫度、碳勢略低，滲碳周期略長。滲碳后經(jīng)中冷室冷卻，以及再加熱室加熱淬火。

表1 雙排連續(xù)式滲碳爐滲碳工藝參數(shù)

2.17CrNiMo6鋼機(jī)車牽引齒輪熱處理工藝

機(jī)車牽引齒輪屬于高速重載齒輪。某機(jī)車車輛廠選用17CrNiMo6作為機(jī)車牽引從動(dòng)齒輪用鋼。

（1）齒輪鍛件預(yù)備熱處理 鍛件采用正火+高溫回火的熱處理工藝，回火溫度一般要求550℃以上，保證后續(xù)加工過程中的組織穩(wěn)定和尺寸精度。

（2）熱處理工藝 采用氣體滲碳工藝。通過計(jì)算機(jī)不僅可控制滲碳層深度和表面硬度，而且還可控制表面含碳量、碳化物及殘留奧氏體的形態(tài)分布，以及表面硬度和硬度梯度等。滲碳溫度控制在920～930℃。滲碳時(shí)，例如模數(shù)為12mm的17CrNiMo6鋼齒輪，滲碳層深度可達(dá)1.5～2.2mm。

①滲碳。850℃裝爐，滴注式氣氛，并進(jìn)行均溫。然后升溫至930℃，強(qiáng)滲20h，碳勢1.25%，隨后在930℃擴(kuò)散10h，碳勢控制0.85%。滲碳層深度合格后直接空冷。

②高溫回火。650℃×3h，空冷。

③淬火加熱。850℃×3h，在保護(hù)氣氛下加熱，油冷。

④低溫回火。190℃×5h，空冷。

3.17CrNiMo6鋼齒輪滲碳后淬火+淬火工藝

大中重載水泥、冶金和船用齒輪，使用負(fù)荷高，傳遞功率大，要求有較好的強(qiáng)韌性配合，材料為17CrNiMo6鋼。

滲碳淬火+淬火工藝：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(qiáng)韌性配合和更高的塑韌性指標(biāo)，其中沖擊吸收能量可提高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(qiáng)韌性配合的齒輪（軸），如高速船用齒輪箱、齒輪軸等。

4.17CrNiMo6鋼齒輪的滲碳+鹽浴淬火工藝

齒輪外形尺寸φ1073mm，寬度195mm，模數(shù)4.5mm，材料為17CrNiMo6鋼，要求滲碳淬火處理。

（1）滲碳淬火工藝 滲碳齒輪鹽浴淬火工藝曲線見圖1。滲碳齒輪鹽浴淬火為“鹽浴-空氣”分級淬火。采用鹽浴淬火會(huì)降低齒輪淬火應(yīng)力，從而減小齒輪淬火畸變。滲碳齒輪分級淬火鹽浴溫度根據(jù)滲碳后表層材料Ms不同，在150～170℃之間選擇。

（2）檢驗(yàn)結(jié)果 馬氏體1級，殘留奧氏體2級，碳化物2級，表面非馬氏體組織2μm，齒輪的熱后平均脹量在2.25mm，檢驗(yàn)結(jié)果均符合技術(shù)要求。

圖1 17CrNiMo6鋼齒輪滲碳+鹽浴淬火工藝曲線

二、17Cr2Ni2Mo鋼齒輪熱處理工藝方法

17Cr2Ni2Mo鋼是德國ZF公司研發(fā)的ZF1A鋼，用于重型商用車后橋主動(dòng)弧齒錐齒輪等。

1.17Cr2Ni2Mo鋼煤機(jī)齒輪熱處理工藝

井下采煤機(jī)重負(fù)荷齒輪，材料17Cr2Ni2Mo鋼，熱處理技術(shù)要求：滲碳層深度1.0～1.4mm；齒面與心部硬度分別為58～62HRC和36～42HRC。

（1）齒輪毛坯的預(yù)備熱處理工藝 采用正火+高溫回火。正火：950℃×3h，空冷。高溫回火：670℃×4h，空冷。

（2）熱處理工藝 滲碳工藝：滲碳900～940℃，滲劑為煤油；排氣1h，煤油240～300滴/min；強(qiáng)滲3h，煤油180～240滴/min；擴(kuò)散6h，煤油80～100滴/min；出爐、緩冷。表2為工藝參數(shù)。淬火工藝：淬火加熱810℃×35min，出爐入油冷至室溫。回火：回火180℃×4h，空冷。

（3）檢驗(yàn)結(jié)果 滲碳質(zhì)量檢驗(yàn)為，滲碳層深度1.3～1.4mm；表面碳化物深度0.4～0.5mm；碳化物級別3～4級。淬火質(zhì)量檢驗(yàn)為，齒面馬氏體3～4級；齒心部為低碳馬氏體+極少量鐵素體。齒形試樣齒表面與心部硬度分別為57～60HRC和38～40HRC。

表2 17Cr2Ni2Mo鋼齒輪工藝參數(shù)

2.17Cr2Ni2Mo鋼大型重載齒輪深層滲碳工藝

（1）17Cr2Ni2Mo鋼大型重載齒輪深層滲碳、球化退火和淬火回火工藝 深層滲碳工藝見圖2。

變溫度碳勢深層滲碳工藝：均溫750℃×2h→滲碳880～890℃×4h→強(qiáng)滲880～890℃×50h→擴(kuò)散Ⅰ（從880～890℃升溫至930℃并進(jìn)行保溫）×12h→擴(kuò)散Ⅱ（930℃×56h）→擴(kuò)散Ⅲ（930℃×56h）→爐冷至800℃出爐空冷。

球化退火工藝：650℃×5h→760～780℃×10h→650℃×10h→爐冷至550℃出爐空冷。

淬火回火工藝：在保護(hù)氣氛下加熱650～670℃×2～4h→淬火800～820℃×1.6h/mm→油冷至160～200℃×2h→250℃回火×2.6h/mm。

（2）控制滲碳淬火畸變措施 預(yù)備熱處理：對于齒輪和齒輪軸，采用正火作為預(yù)備熱處理；對于齒圈采用調(diào)質(zhì)處理。淬火冷卻控制：合金鋼滲碳后表面馬氏體轉(zhuǎn)變溫度為130～140℃，最終冷卻溫度控制在160～180℃為宜。將齒輪油冷一段時(shí)間后，轉(zhuǎn)入180℃爐中保溫?cái)?shù)小時(shí)后，再冷至室溫。也可采用80～100℃熱油淬火，最終溫度120～150℃。

圖2 大型重載齒輪深層滲碳工藝曲線

三、18CrNiMo7-6和20CrNi2Mo鋼齒輪滲碳工藝

德國汽車公司在重型汽車后橋弧齒錐齒輪使用18CrNiMo7-6鋼，此鋼屬于高淬透性滲碳鋼。

20CrNi2Mo鋼是從美國引進(jìn)的鋼種。由于20CrNi2Mo鋼材料中鎳含量較高，其熱處理工藝具有特殊性。

18CrNiMo7-6和20CrNi2Mo鋼在大型高速重載齒輪領(lǐng)域也有重要用途。例如風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速箱的輸出齒輪和水泥磨機(jī)減速箱的輸入齒輪軸等。其熱處理要求：滲碳層深度2.4～3.0mm（550HV），齒面硬度58～63HRC，齒面碳化物1～3級。

（1）熱處理設(shè)備 滲碳設(shè)備采用VKEs5/2型可控氣氛箱式多用爐，其爐溫均勻度為±5℃，碳勢均勻性為±0.02%。

（2）熱處理工藝 針對齒面碳化物易于超標(biāo)和齒面硬度偏低進(jìn)行工藝優(yōu)化。18CrNiMo7-6和20CrNi2Mo鋼熱處理工藝曲線見圖3。

18CrNiMo7-6鋼的輸出齒輪采用1.05%碳勢強(qiáng)滲20h和0.80%碳勢擴(kuò)散10h；二次加熱淬火并低溫回火后測得滲碳層深度為2.8mm（550HV），齒面硬度61.2HRC，齒面碳化物為彌散分布顆粒狀1級。

20CrNi2Mo鋼的輸入齒輪軸采用1.25%碳勢強(qiáng)滲20h和0.90%碳勢擴(kuò)散10h，二次加熱淬火后滲碳層深度為2.91mm（550HV），齒面硬度為60.3HRC，齒面碳化物為彌散分布顆粒狀2級。

圖3 18CrNiMo7-6和20CrNi2Mo鋼齒輪熱處理工藝曲線

1.20CrNi2Mo鋼大型重載齒輪的深層滲碳工藝

例1，工業(yè)機(jī)械中的大型軋鋼機(jī)、大型挖掘機(jī)及大型水泥磨機(jī)等重型機(jī)器中的大型齒輪，單件齒輪重量從數(shù)噸到數(shù)十噸。滲碳層深度一般要求3～5mm，最深可達(dá)8mm。

（1）滲碳工藝 由于齒輪滲碳層深度較深，相應(yīng)滲碳周期長，最大可達(dá)150～200h。深層滲碳工藝既要快速滲碳以盡量縮短工藝周期，又要限制滲層碳含量過高，以避免不良碳化物的形成及過多殘留奧氏體產(chǎn)生。對此，可采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制碳勢。20CrNi2Mo鋼人字齒輪的深層滲碳工藝見圖4。

圖4 20CrNi2Mo鋼人字齒輪的深層滲碳工藝曲線

（2）工藝過程 裝爐后750℃×2h進(jìn)行預(yù)熱→880～890℃排氣并均溫共4h→880～890℃×50h滲碳→升溫930℃包括到溫12h進(jìn)行第一次擴(kuò)散→930℃×56h第二次擴(kuò)散→930℃×56h第三次擴(kuò)散→爐冷至800℃出爐空冷。

例2：工業(yè)傳動(dòng)箱產(chǎn)品的齒輪，齒頂圓φ1485mm，齒寬422mm，滲碳層深度3.3～3.9mm。

滲碳采用大型井式滲碳爐φ1600mm×1800mm，該設(shè)備可根據(jù)不同滲碳層深度的工件編制相應(yīng)的工藝程序而自動(dòng)進(jìn)行碳勢、時(shí)間及過程控制。采用滲碳直接淬火工藝，對強(qiáng)滲和擴(kuò)散期的碳勢、時(shí)間、淬火溫度和淬火前的碳勢作了嚴(yán)格的規(guī)定。升溫時(shí)適當(dāng)控制升溫速度，在850℃均溫一定時(shí)間，升溫至930℃均溫0.5h后加入強(qiáng)滲，強(qiáng)滲期碳勢為1.2%，擴(kuò)散期碳勢為0.85%，均溫后碳勢為0.73%，淬火溫度為820℃，在60℃油中淬火，最后進(jìn)行180℃低溫回火。具體熱處理工藝見圖5。檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖5 20CrNi2Mo鋼齒輪滲碳直接淬火工藝

表3 檢驗(yàn)結(jié)果

2.20CrNi2Mo滲碳鋼連續(xù)爐滲碳工藝

20CrNi2Mo鋼在汽車制造行業(yè)，主要是針對大功率發(fā)動(dòng)機(jī)的使用而開發(fā)的重型汽車驅(qū)動(dòng)橋弧齒錐齒輪滲碳鋼。20CrNi2Mo鋼中含Ni量較高，通過中冷雙排連續(xù)式滲碳爐進(jìn)行滲碳、緩冷和再加熱淬火，并采用適當(dāng)碳勢、適當(dāng)溫度和較長周期的滲碳淬火工藝，降低殘留奧氏體量，使工件的金相組織達(dá)到產(chǎn)品技術(shù)要求，因此，可實(shí)現(xiàn)部分含Ni較高工件的大批量滲碳直接淬火。

表4與表5分別為東風(fēng)汽車集團(tuán)公司某熱處理廠采用中冷雙排滲碳爐處理20CrNi2Mo試樣（160mm×50mm×16mm）工藝參數(shù)與檢驗(yàn)結(jié)果。

表4 20CrNi2Mo鋼工藝參數(shù)

通過表4看出，20CrNi2Mo試樣經(jīng)過滲碳、擴(kuò)散后在中冷室用純度99.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的N2進(jìn)行冷卻，降溫至550℃后再進(jìn)行二次加熱奧氏體晶粒細(xì)化后，可獲得更加細(xì)小的晶粒度和顯微組織，晶粒度由7～9級提高至9級，彎曲疲勞強(qiáng)度由560MPa提高至800MPa，提高彎曲疲勞強(qiáng)度30%。

表5 20CrNi2Mo鋼檢驗(yàn)結(jié)果

四、20CrNiMo鋼齒輪的滲碳工藝方法

國產(chǎn)20CrNiMo鋼（相當(dāng)于美國牌號(hào)SAE8620鋼），已經(jīng)廣泛用于重型汽車驅(qū)動(dòng)橋主動(dòng)弧齒錐齒輪及重型變速器齒輪等。

例1：重型汽車驅(qū)動(dòng)橋主動(dòng)弧齒錐齒輪，材料為20CrNiMo鋼，熱處理要求：滲碳淬火有效硬化層深度1.70～2.10mm，齒面硬度58～64HRC，金相組織為碳化物、馬氏體及殘留奧氏體均≤5級。

（1）齒輪鍛坯等溫正火工藝 加熱860～880℃×2～3h→經(jīng)強(qiáng)風(fēng)冷卻3～5min→等溫600～620℃×2～3h。鍛坯正火硬度160～180HBW，金相組織鐵素體+珠光體，組織均勻，硬度適中。

（2）齒輪滲碳淬火工藝 20CrNiMo鋼主動(dòng)弧齒錐齒輪雙排連續(xù)式滲碳爐滲碳淬火工藝見表6。

表6 雙排連續(xù)式滲碳爐滲碳工藝

（3）檢驗(yàn)結(jié)果 碳化物0～1級，馬氏體、殘留奧氏體1～3級，滲碳淬火有效硬化層深度1.80～1.95mm，齒面硬度60～64HRC。

例2：轉(zhuǎn)向器齒輪，材料為20CrNiMo鋼，要求滲碳淬火。

（1）熱處理工藝及設(shè)備 滲碳淬火采用可控氣氛多用爐。20CrNiMo鋼齒輪滲碳工藝見圖6。滲碳工藝參數(shù)見表7。

圖6 20CrNiMo鋼齒輪熱處理工藝

表7 20CrNiMo鋼齒輪滲碳工藝參數(shù) （%）

滲碳：920℃×4.5h，淬火：840℃×0.5h，淬火采用好富頓G油（油溫80℃）。采用氧探頭控制碳勢，紅外儀測定j（CO）并動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，CH4監(jiān)視報(bào)警，CO2監(jiān)視報(bào)警。

（2）檢驗(yàn) 滲碳層深度0.70～0.75mm，表面硬度58～63HRC，心部硬度35～42HRC，表面金相組織為回火馬氏體+極少量殘留奧氏體+極少量顆粒狀碳化物（1級），心部為低碳馬氏體+鐵素體（1級）。

五、20Cr2Ni4A鋼齒輪熱處理工藝

20Cr2Ni4A鋼含有較多Ni元素，材料強(qiáng)韌性高，常用于坦克等重負(fù)荷齒輪，要求碳氮共滲處理。

（1）高濃度碳氮共滲“三段控制”工藝 其熱處理工藝曲線見圖7。

圖7 高濃度碳氮共滲“三段控制”工藝曲線

（2）工藝效果 經(jīng)檢驗(yàn)，共滲層厚度1.1mm，碳氮化合物層是呈彌散分布的碳氮化合物組織，其淬火組織中的殘留奧氏體量較少。

由于采用“三段控制”直接淬火工藝，生產(chǎn)效率得到提高。因滲碳溫度低，并在滲碳后直接淬火，因此齒輪熱處理畸變減小。