齒輪滲碳強(qiáng)滲和擴(kuò)散比值的工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

張明明 李壽東 宋建康 杜 偉 王從福 陶常彬

（山東華成中德傳動(dòng)設(shè)備有限公司，淄博 255200）

在煤炭、冶金、水泥、化工以及港口等行業(yè)中，有很多工況使用的齒輪箱要有高的承載力和耐沖擊性能，以保證設(shè)備的穩(wěn)定性。作為工業(yè)重載齒輪箱的核心零部件，齒輪的質(zhì)量直接影響齒輪箱的壽命和使用的穩(wěn)定性。因此，要求重載齒輪箱用齒輪在保證加工精度的基礎(chǔ)上應(yīng)具有較高的抗疲勞性、良好的耐磨性、較高的硬度和較好的韌性。為了達(dá)到以上這些性能要求，熱處理工藝過(guò)程的控制顯得格外重要。

18CrNiMo7-6齒輪用鋼是一種常用的低合金滲碳鋼。經(jīng)過(guò)滲碳處理后，它的耐磨性能、硬度、接觸疲勞強(qiáng)度都得到了大幅度提升。同時(shí)，由于它具有外硬內(nèi)韌的特點(diǎn)，能承受較高的外界沖擊載荷，是一種綜合性能良好的齒輪用鋼，在齒輪制造中得到了廣泛應(yīng)用。目前，關(guān)于它的組織、性能以及滲碳淬火的熱處理工藝已經(jīng)有了大量研究[1-2]。本文主要以齒輪滲碳工藝中的強(qiáng)滲和擴(kuò)散兩個(gè)重要的工藝過(guò)程為研究對(duì)象，針對(duì)滲碳層要求為2.0 mm的齒輪，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析，試圖找到強(qiáng)滲時(shí)間和擴(kuò)散時(shí)間最佳配比，使其既能滿(mǎn)足齒輪的性能要求，又能降低工藝時(shí)間，從而降低生產(chǎn)成本。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用的基材為18CrNiMo7-6滲碳齒輪鋼鍛坯，主要化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 18CrNiMo7-6鋼的主要化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（單位：%）

將鍛坯加工為Φ35 mm×70 mm的試樣共5件，其原始微觀組織如圖1所示。試樣組織為珠光體和鐵素體。清洗試樣至表面無(wú)污物，將5件試樣分別編號(hào)為1～5。將5件試樣分5次裝入箱式多用爐中，5件試樣經(jīng)過(guò)的熱處理工藝除強(qiáng)滲和擴(kuò)散的時(shí)間比不同外，其余全部相同。5個(gè)試樣的強(qiáng)滲和擴(kuò)散總時(shí)間相同，都設(shè)置為20 h。5個(gè)試樣強(qiáng)滲和擴(kuò)散時(shí)間的比值 見(jiàn)表2。

表2 試樣的不同強(qiáng)滲和擴(kuò)散時(shí)間比

試樣進(jìn)爐后加熱到930 ℃保溫進(jìn)行強(qiáng)滲，設(shè)定強(qiáng)滲碳勢(shì)為1.15%C。強(qiáng)滲階段完成后，設(shè)定碳勢(shì)為0.7%C進(jìn)行擴(kuò)散。整個(gè)滲碳階段結(jié)束后，降溫到830 ℃ 并保溫1 h進(jìn)行油淬，設(shè)定碳勢(shì)為0.7%C。滲碳時(shí)，以純度≥99%（體積分?jǐn)?shù)）的氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)性氣體，純度≥99.5%的甲醇為稀釋劑，濃度≥99%的丙烷為滲碳劑。強(qiáng)滲過(guò)程是在氮甲醇?xì)夥盏幕A(chǔ)上，通入丙烷富化氣完成的[3-4]。具體的滲碳工藝曲線，如圖2所示。滲碳后金相檢測(cè)以《重載齒輪滲碳金相檢驗(yàn)》（JB/T 6141.3—1992）為準(zhǔn)，有效硬化層深度測(cè)試按照《鋼件滲碳淬火有效硬化層深度的測(cè)定和校準(zhǔn)》 （GB/T 9450—2005）進(jìn)行，滲碳層含碳量通過(guò)碳硫分析儀進(jìn)行檢測(cè)。

5個(gè)試樣經(jīng)過(guò)滲碳淬火后統(tǒng)一放入低溫回火爐內(nèi)進(jìn)行低溫回火處理，低回溫度200 ℃保溫4 h。最后，在維氏硬度機(jī)上分別檢測(cè)經(jīng)過(guò)不同強(qiáng)滲和擴(kuò)散時(shí)間比的試樣硬度，每個(gè)試樣均測(cè)量5次，取其平均值。將熱處理后的5個(gè)試樣表面進(jìn)行打磨拋光，并用4%HNO3+96%酒精（體積分?jǐn)?shù)）腐蝕后，借助金相顯微鏡分析其顯微組織。對(duì)5個(gè)試樣距離表面不同滲碳層深度處的含碳量借助碳硫分析儀進(jìn)行分析檢測(cè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同強(qiáng)滲和擴(kuò)散時(shí)間比對(duì)顯微組織的影響

圖3為經(jīng)過(guò)不同強(qiáng)滲和擴(kuò)散時(shí)間比處理后的試樣表層顯微組織圖。從圖3可以看出，試樣經(jīng)過(guò)滲碳淬火+低溫回火后，表層組織為細(xì)針馬氏體加少量的殘留奧氏體。

與前3號(hào)試樣的顯微組織圖略有不同的是，4號(hào)和5號(hào)試樣滲碳層中的碳化物有增多的趨勢(shì)。碳化物的存在會(huì)削弱基體晶粒間的聯(lián)系，使鋼的機(jī)械性能降低，尤其是會(huì)降低沖擊性能。工業(yè)重載齒輪的滲碳層中不允許出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物。1～5號(hào)試樣的顯微組織總體滿(mǎn)足要求，4號(hào)和5號(hào)試樣的殘留碳化物明顯增多是滲層中含碳量高的直觀表現(xiàn)。

2.2 不同強(qiáng)滲和擴(kuò)散時(shí)間比對(duì)硬化層硬度的影響

表3是1～5號(hào)試樣滲碳層的硬度值。根據(jù)《鋼件滲碳淬火有效硬化層深度的測(cè)定和校準(zhǔn)》（GB/T 9450—2005）關(guān)于滲碳淬火硬化層的定義，零件滲碳淬火硬化層是從零件表面到維氏硬度值為550 HV處的垂直距離。從表3的數(shù)據(jù)中不難看出，在相同的滲碳時(shí)間下，隨著強(qiáng)滲和擴(kuò)散比的增大，試樣的硬化層深度不斷增大。這是因?yàn)樵谙嗤臅r(shí)間內(nèi)，高碳勢(shì)環(huán)境下會(huì)有更多的碳進(jìn)入零件內(nèi)部。對(duì)于特別重要工況下使用的重載齒輪，不僅對(duì)滲碳層深度有嚴(yán)格的要求，而且對(duì)硬化層內(nèi)硬度的變化梯度也有嚴(yán)格要求。對(duì)于材料及熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)要求為ME級(jí)的齒輪來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行硬化層深度檢測(cè)時(shí)，相鄰兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的硬度下降越小越好。試樣4號(hào)和5號(hào)分別在距離表面1.7～1.8 mm 和1.8～1.9 mm處出現(xiàn)硬度下降超過(guò)30 HV的情況，試樣1～3號(hào)的相鄰檢測(cè)點(diǎn)的硬度降低均小于 20 HV。相鄰檢測(cè)點(diǎn)硬度值下降過(guò)大，會(huì)使零件內(nèi)部產(chǎn)生過(guò)大的內(nèi)應(yīng)力，從而影響齒輪的強(qiáng)度和抗疲勞性能，嚴(yán)重時(shí)齒輪內(nèi)部可能會(huì)出現(xiàn)微裂紋。試樣4號(hào)和5號(hào)相比其他試樣雖然在相同的滲碳時(shí)間內(nèi)達(dá)到了更深的滲層深度，但都出現(xiàn)了在滲層范圍硬度下降過(guò)大的情況。這在要求嚴(yán)格的重載齒輪中是不允許的。造成這一現(xiàn)象的原因是4號(hào)和5號(hào)試棒的強(qiáng)滲和擴(kuò)散時(shí)間比太大，試樣滲碳層內(nèi)的碳濃度沒(méi)有擴(kuò)散開(kāi)。1號(hào)試樣的滲碳層深度分別只有1.9 mm，沒(méi)有達(dá)到要求的滲層要求。2號(hào)和3號(hào)試樣的滲碳層深度分別為2.0 mm和2.1 mm， 均達(dá)到了滲層要求。相較于2號(hào)試樣，在相等的時(shí)間內(nèi)3號(hào)試樣的滲層更深。從加工成本考慮，為了達(dá)到同一滲碳層要求，3號(hào)試樣比2號(hào)試樣所用的時(shí)間更短，加工成本更低。從表3的數(shù)據(jù)可以看出：在相同的滲碳時(shí)間內(nèi)，增加強(qiáng)滲和擴(kuò)散的時(shí)間比會(huì)使?jié)B碳層增加，提高滲碳速度，但強(qiáng)滲和擴(kuò)散的時(shí)間比過(guò)大，零件滲層內(nèi)的硬度值會(huì)出現(xiàn)降低過(guò)快的現(xiàn)象。

表3 1～5號(hào)試樣滲碳層的硬度值（單位：HV）

2.3 不同強(qiáng)滲和擴(kuò)散時(shí)間比對(duì)硬化層含碳量的影響

用車(chē)床對(duì)5個(gè)試樣進(jìn)行取樣，將取得的樣品在碳硫分析儀上檢測(cè)含碳量。表4是5個(gè)試樣距離表面不同距離處的含碳量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。從表4的數(shù)據(jù)可以看出：5個(gè)試樣有效硬化層內(nèi)的含碳量從表面開(kāi)始都是逐漸降低的趨勢(shì)；隨著強(qiáng)滲和擴(kuò)散比的增大，試樣滲碳層內(nèi)碳濃度變化梯度隨著增大。對(duì)于齒輪的性能來(lái)說(shuō)，滲碳層內(nèi)的碳濃度變化梯度越小越好[5]。在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，過(guò)分追求齒輪滲碳層內(nèi)的小的碳濃度變化梯度是不經(jīng)濟(jì)的。只有在保證齒輪性能的前提下提高生產(chǎn)效率，才是企業(yè)的生存之道。

表4 1～5號(hào)試樣距離表面不同距離處的含碳量（單位：%）

3 結(jié)論

對(duì)于材料為18CrNiMo7-6滲碳鋼的齒輪來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行滲碳的熱處理時(shí)，不同的強(qiáng)滲和擴(kuò)散時(shí)間比對(duì)齒輪的微觀組織、硬化層深度、硬化層的硬度和含碳量的變化梯度有不同的影響。在相同的滲碳時(shí)間內(nèi)，強(qiáng)滲和擴(kuò)散時(shí)間比越大，硬化層深就越深，硬化層的硬度和含碳量的變化梯度也越大。在保證齒輪性能指標(biāo)的前提下，增加強(qiáng)滲和擴(kuò)散的時(shí)間比能明顯縮短工藝時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。對(duì)滲碳層深要求2.0 mm的齒輪來(lái)說(shuō)，強(qiáng)滲碳勢(shì)設(shè)定為1.15%C，擴(kuò)散碳勢(shì)設(shè)定為0.7%C，當(dāng)強(qiáng)滲和擴(kuò)散的時(shí)間比為4∶1時(shí)，在保證性能指標(biāo)的前提下，可將工藝時(shí)間縮短到最小，生產(chǎn)效率達(dá)到最高。