履带式推土机渗碳齿轮热处理工艺现状

段友全，邵夫奎，潘凡军

DUAN You-quan, SHAO Fu-kui, PAN Fan-jun

（1.山推工程机械股份有限公司，山东 济宁 272073；2.济宁市天翔机械制造有限公司，山东 济宁 272400）

目前，国产162～235kW的大功率履带式推土机产品的变速箱及终传动的齿轮的寿命已由6000h提高到8000～10000h，但仍与国外著名企业产品存在一定差距。如何选用合适渗碳齿轮材料及热处理来保证齿轮质量及寿命是工作的关键。本文综合国内外履带式推土机的渗碳齿轮所用材料进行分析，并介绍了国内渗碳齿轮的热处理工艺现状。

1 国内外履带式推土机齿轮用钢现状

1.1 国外渗碳齿轮钢应用情况

日本小松公司渗碳齿轮用SCM420H、SCM822H-K、SNCM420H、SNCM420H-K，做变速箱、终传动及螺伞配对的齿轮。对需要满足高淬透性和对心部韧性要求高的材料，主要选用齿轮用镍铬钼钢SNCM420H-K。

美国卡特公司采用1E1054以及SAE（美国汽车协会标准）的钢种。变速箱使用8620H、8720H，终传动的齿轮采用含Ni高的钢4320H等。

淬透性带越窄越好，便于降低热处理畸变。主要厂家的淬透性宽窄幅度见表1。

1.2 国内齿轮应用钢材情况

国产履带式推土机应用最多的是20CrMnTi、20CrMo、20CrMnMo、20CrNi2Mo等钢种，通过引进日本小松、美国卡特公司先进技术和标准，开展齿轮零件热处理工艺试验及研究，先后研制、开发了新的渗碳齿轮用钢：20CrMoH、20CrNiMoH、20CrNi2MoH， 新 钢的使用大大提高了齿轮使用寿命。

表1 国外大公司对渗碳齿轮淬透性带宽要求

20CrMnTi由于价格低，工艺成熟，仍是国内使用最普遍的渗碳钢。20CrMoH钢冶炼工艺稳定，淬透性带较窄易控制，与20CrMnTi材料相比，热处理畸变低，渗层有良好的淬透稳定性，适用模数更大的齿轮。抚顺钢厂按日本小松SCM420H、SNCM420H、SNCM420H-K研制开发的20CrMoH、20CrNiMoH、22CrNi2MoNbH钢，分别适合m＜5、5≤m＜8、8≤m模数的齿轮用材，其化学成分、机械性能、淬透性、非金属夹杂物、晶粒度都满足标准要求，其实物的表面硬度、硬化层深度、心部硬度、组织状态等都满足图纸要求。

我公司通过最近3年使用的数批次的22CrNi2MoNbH钢统计数据表明，[O]在16～20ppm之间，淬透性范围J1.5＝43～46HRC、J9＝34～38HRC、J15＝29～31HRC，晶粒度6～8级，非金属夹杂物A、B、D的细系最高1.5级，粗系及C细系均为0级。制作小齿轮（齿数12、模数9；齿数12、模数12）经渗碳、淬火回火后表面硬度在61～64HRC、硬化层深度2.3～2.7mm、心部硬度及尺寸变形都满足图样要求。

2 齿轮的设计要求

1）齿轮的疲劳强度 通常与硬度和抗拉强度成正比。卡特公司、小松公司对重载的履带式推土机的渗碳齿轮要求表面硬度为60～64HRC，GB/T3480.5标准推荐表面硬度为58～64HRC。疲劳寿命受原材料冶金因素尤其是淬透性性、钢的纯净度、残余应力等影响大。

2）齿轮的纯净度 主要是非金属夹杂物的数量、类型、大小、分布，纯净度对疲劳影响比化学成分、显微组织、应力梯度的影响更大。因此钢材冶炼时进行脱气处理，降低氧化物、硅化物等夹杂物，提高齿轮的抗点蚀和剥落能力。

3）硬化层深度 以齿轮的抗点蚀和抗剥落性能为主，硬化层可以选择深一些。但只要能够满足承受最大接触应力或最大切应力就可以。

4）心部硬度 主要受钢材淬透性的影响，齿轮的心部硬度最佳为30～41HRC，如果心部硬度过低，齿轮使用过程中容易造成硬化层压碎；如果硬度过高，齿表面残余应力将降低，因而降低了齿轮接触疲劳强度，导致齿轮副啮合不良，使齿轮局部应力集中，产生噪音和振动，以致造成点蚀和剥落。两家公司要求硬化层深度及心部硬度范围见表2。卡特公司、小松公司为提高齿轮接触疲劳性能对齿轮的分度圆和齿宽中部区域的齿面留有鼓形量（0～0.005）。

3 履带式推土机渗碳齿轮热处理

多年来，卡特公司、小松公司对大模数齿轮的热处理畸变进行研究，总结出变形特点和规律，在渗碳前，预留畸变形，而使热处理变形对齿面有一定的补偿。渗碳后，根据齿轮材料不同，有的采用直接淬火，有的需要重新加热淬火，达到所要求的表面硬度和心部硬度后，再在专用淬火机床上淬火，达到最佳的渗层深度和心部硬度，获得高的心部韧性和小的变形，保证合适的齿轮精度。

表2 齿轮模数与硬化层深度、心部硬度要求

要提高工程机械齿轮的质量，除选择合适的材料外，还必须对热处理工艺进行严格规范，尤其是要有好的热处理设备来保证，通过引进大量的国外热处理设备（例如：易普森多用炉、格里森淬火压床等），大大提高了渗碳齿轮的质量，其设备的精度、生产能力、制造技术水平与国外同步。

齿轮锻坯的预先热处理与齿轮的变形有关，工程机械渗碳齿轮锻造毛坯均要经过正火处理，目的是调整钢件的显微组织和硬度，改善加工性能。也可采用等温正火工艺，能使零件组织和硬度均匀，减少渗碳淬火齿轮的有效方法之一。应用新型的齿轮用钢22CrNi2MoNbH，提高钢材纯净度，降低氧含量，降低非金属夹杂物的大小，控制淬透性带的宽窄，控制化学成分的波动，从而减少热处理畸变。

4 结 语

履带式推土机的渗碳齿轮的寿命所受的影响因素很多，除是冶金因素化学成分、淬透性及夹杂物的影响外，更多的是受热处理工艺影响，热处理决定了齿轮的表面硬度、硬化层深度及心部硬度，从而决定了齿轮的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度即齿轮寿命，要控制好各个因素的影响，提高履带式推土机齿轮寿命。

[1]祁 兮.推土机用齿轮钢的系列化研究[J].工程机械，1993，（5）：10-14.

[2]段友全.卡特D9型履带式推土机渗碳齿轮[J].拖拉机与农用运输车，1994，（1）：32-35.

[3]李宝奎，王爱香，顾 敏.渗碳淬火齿轮畸变控制技术的研究现状[J].金属热处理，2006，(12)：6-11.

[4]王之香.Nb对重载齿轮用20CrNi2Mo钢组织和力学性能的影响[J].金属热处理，2013，（6）：46-48.

[5]刘永魁.美国卡特彼勒公司热处理技术要求的一些特点[J].工程机械，2005，（12）：54-55.