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、有沖擊及形狀復雜的重要齒輪，如重載汽車、坦克、鐵路機車、風力發電、汽輪機、冶金與軋鋼機械、船舶與航空發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. 齒輪鍛坯預備熱處理工藝

表1為常用Cr-Ni系滲碳鋼齒輪鍛坯預備熱處理工藝。

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、回火規范及硬度見表2。

表1 常用Cr-Ni系滲碳鋼齒輪鍛坯預備熱處理工藝

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 不同鋼材的齒輪經滲碳（碳氮共滲）后，根據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，齒部向上平放在鐵絲網上，然后加蓋，并進行加熱（810±10）℃×40~60min，保溫結束后置于平板吊裝夾具上，迅速轉入160~220℃硝鹽槽中分級冷卻，空冷至室溫。齒輪再經清洗、冷處理、180℃×2h低溫回火及噴砂等工序。

（3）檢驗 經檢驗：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。畸變小，經磨齒后齒輪精度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℃，相當于預熱處理。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，防止網狀碳化物出現。這樣可以節約時間20%~30%（約3h）。檢驗表面含碳量（質量分數）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）。

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：該復合工藝處理后，齒輪耐磨性優于滲碳和碳氮共滲，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，其傳統滲碳工藝路線為：滲碳→高溫回火→淬火→低溫回火。設備與工藝：設備采用RQ-105-9D型井式氣體滲碳爐，滲碳劑為煤油，稀釋劑為甲醇，傳統滲碳工藝為：920℃×6h滲碳，碳勢C p為1.0%（質量分數），滲碳結束后出爐空冷。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合而創立的，已獲得專利（CN1061443A）。該工藝實現了20Cr2Ni4A鋼齒輪滲碳后直接淬火，使滲碳工藝大為簡化。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%（質量分數），滲碳結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。

檢驗結果：在滲碳層的過共析區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，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節。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（電爐預熱），（790±10）℃×10~12mi n（鹽浴爐加熱），預冷至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