常用Cr-Ni-Mo系钢齿轮的热处理工艺

哈尔滨汇隆汽车箱桥有限公司（黑龙江 150088）金荣植

Cr-Ni-Mo系钢经渗碳、淬火和回火后的各种力学性能优越，目前主要用于两类齿轮，一类是大型轧钢机减速器齿轮、人字齿轮、机座齿轮，大型带式输送机传动轴齿轮，大型锥齿轮，大型挖掘机传动器主动齿轮，井下采煤机传动器齿轮，重型汽车驱动桥弧齿锥齿轮及坦克用齿轮等，齿轮性能要求为：传递功率大、齿轮表面载荷高、耐冲击，齿轮尺寸大，要求淬透性高；另一类是冶金、化工、电站机械设备及铁路机车、宇航、船舶等汽轮发动机、工业汽轮机、燃气轮机、高速鼓风机及透平压缩机等使用的齿轮。齿轮性能要求为运行速度高、周期长、安全可靠性高。

由于Cr-Ni-Mo系钢工艺性能差，齿轮锻坯要经过复杂的预备热处理后才能切削加工，通常渗碳后不能直接淬火，要经过二次加热淬火，以减少残留奥氏体。因此，热处理工艺复杂。由于齿轮技术要求不同，其热处理工艺也不尽相同。

一、17CrNiMo6钢齿轮热处理工艺

1.17CrNiMo6钢重型汽车驱动桥弧齿锥齿轮热处理工艺

17CrNiMo6钢（德国标准DIN 17210—1986）是德国ZF公司开发的高强度、大模数齿轮渗碳钢，用于重型汽车驱动桥弧齿锥齿轮等。目前此钢已经完成国产化。

（1）齿轮锻坯等温正火工艺 加热950℃×150min后风冷至660℃并保温150min。锻坯硬度173～197HBW，金相组织为块状珠光体+铁素体。

（2）齿轮双排连续式渗碳炉渗碳工艺 表1为双排连续式渗碳炉渗碳工艺参数。其工艺特点是，此钢比22CrMoH钢的渗碳与淬火温度、碳势略低，渗碳周期略长。渗碳后经中冷室冷却，以及再加热室加热淬火。

表1 双排连续式渗碳炉渗碳工艺参数

2.17CrNiMo6钢机车牵引齿轮热处理工艺

机车牵引齿轮属于高速重载齿轮。某机车车辆厂选用17CrNiMo6作为机车牵引从动齿轮用钢。

（1）齿轮锻件预备热处理 锻件采用正火+高温回火的热处理工艺，回火温度一般要求550℃以上，保证后续加工过程中的组织稳定和尺寸精度。

（2）热处理工艺 采用气体渗碳工艺。通过计算机不仅可控制渗碳层深度和表面硬度，而且还可控制表面含碳量、碳化物及残留奥氏体的形态分布，以及表面硬度和硬度梯度等。渗碳温度控制在920～930℃。渗碳时，例如模数为12mm的17CrNiMo6钢齿轮，渗碳层深度可达1.5～2.2mm。

①渗碳。850℃装炉，滴注式气氛，并进行均温。然后升温至930℃，强渗20h，碳势1.25%，随后在930℃扩散10h，碳势控制0.85%。渗碳层深度合格后直接空冷。

②高温回火。650℃×3h，空冷。

③淬火加热。850℃×3h，在保护气氛下加热，油冷。

④低温回火。190℃×5h，空冷。

3.17CrNiMo6钢齿轮渗碳后淬火+淬火工艺

大中重载水泥、冶金和船用齿轮，使用负荷高，传递功率大，要求有较好的强韧性配合，材料为17CrNiMo6钢。

渗碳淬火+淬火工艺：渗碳后采用淬火处理比采用空冷正火处理（渗碳空冷→高温回火→淬火→低温回火），能够得到较好的强韧性配合和更高的塑韧性指标，其中冲击吸收能量可提高50%以上。

渗碳后淬火+淬火的工艺（即渗碳淬火→高温回火→淬火→低温回火）适合于需要较高强韧性配合的齿轮（轴），如高速船用齿轮箱、齿轮轴等。

4.17CrNiMo6钢齿轮的渗碳+盐浴淬火工艺

齿轮外形尺寸φ1073mm，宽度195mm，模数4.5mm，材料为17CrNiMo6钢，要求渗碳淬火处理。

（1）渗碳淬火工艺 渗碳齿轮盐浴淬火工艺曲线见图1。渗碳齿轮盐浴淬火为“盐浴-空气”分级淬火。采用盐浴淬火会降低齿轮淬火应力，从而减小齿轮淬火畸变。渗碳齿轮分级淬火盐浴温度根据渗碳后表层材料Ms不同，在150～170℃之间选择。

（2）检验结果 马氏体1级，残留奥氏体2级，碳化物2级，表面非马氏体组织2μm，齿轮的热后平均胀量在2.25mm，检验结果均符合技术要求。

图1 17CrNiMo6钢齿轮渗碳+盐浴淬火工艺曲线

二、17Cr2Ni2Mo钢齿轮热处理工艺方法

17Cr2Ni2Mo钢是德国ZF公司研发的ZF1A钢，用于重型商用车后桥主动弧齿锥齿轮等。

1.17Cr2Ni2Mo钢煤机齿轮热处理工艺

井下采煤机重负荷齿轮，材料17Cr2Ni2Mo钢，热处理技术要求：渗碳层深度1.0～1.4mm；齿面与心部硬度分别为58～62HRC和36～42HRC。

（1）齿轮毛坯的预备热处理工艺 采用正火+高温回火。正火：950℃×3h，空冷。高温回火：670℃×4h，空冷。

（2）热处理工艺 渗碳工艺：渗碳900～940℃，渗剂为煤油；排气1h，煤油240～300滴/min；强渗3h，煤油180～240滴/min；扩散6h，煤油80～100滴/min；出炉、缓冷。表2为工艺参数。淬火工艺：淬火加热810℃×35min，出炉入油冷至室温。回火：回火180℃×4h，空冷。

（3）检验结果 渗碳质量检验为，渗碳层深度1.3～1.4mm；表面碳化物深度0.4～0.5mm；碳化物级别3～4级。淬火质量检验为，齿面马氏体3～4级；齿心部为低碳马氏体+极少量铁素体。齿形试样齿表面与心部硬度分别为57～60HRC和38～40HRC。

表2 17Cr2Ni2Mo钢齿轮工艺参数

2.17Cr2Ni2Mo钢大型重载齿轮深层渗碳工艺

（1）17Cr2Ni2Mo钢大型重载齿轮深层渗碳、球化退火和淬火回火工艺 深层渗碳工艺见图2。

变温度碳势深层渗碳工艺：均温750℃×2h→渗碳880～890℃×4h→强渗880～890℃×50h→扩散Ⅰ（从880～890℃升温至930℃并进行保温）×12h→扩散Ⅱ（930℃×56h）→扩散Ⅲ（930℃×56h）→炉冷至800℃出炉空冷。

球化退火工艺：650℃×5h→760～780℃×10h→650℃×10h→炉冷至550℃出炉空冷。

淬火回火工艺：在保护气氛下加热650～670℃×2～4h→淬火800～820℃×1.6h/mm→油冷至160～200℃×2h→250℃回火×2.6h/mm。

（2）控制渗碳淬火畸变措施 预备热处理：对于齿轮和齿轮轴，采用正火作为预备热处理；对于齿圈采用调质处理。淬火冷却控制：合金钢渗碳后表面马氏体转变温度为130～140℃，最终冷却温度控制在160～180℃为宜。将齿轮油冷一段时间后，转入180℃炉中保温数小时后，再冷至室温。也可采用80～100℃热油淬火，最终温度120～150℃。

图2 大型重载齿轮深层渗碳工艺曲线

三、18CrNiMo7-6和20CrNi2Mo钢齿轮渗碳工艺

德国汽车公司在重型汽车后桥弧齿锥齿轮使用18CrNiMo7-6钢，此钢属于高淬透性渗碳钢。

20CrNi2Mo钢是从美国引进的钢种。由于20CrNi2Mo钢材料中镍含量较高，其热处理工艺具有特殊性。

18CrNiMo7-6和20CrNi2Mo钢在大型高速重载齿轮领域也有重要用途。例如风力发电机增速箱的输出齿轮和水泥磨机减速箱的输入齿轮轴等。其热处理要求：渗碳层深度2.4～3.0mm（550HV），齿面硬度58～63HRC，齿面碳化物1～3级。

（1）热处理设备 渗碳设备采用VKEs5/2型可控气氛箱式多用炉，其炉温均匀度为±5℃，碳势均匀性为±0.02%。

（2）热处理工艺 针对齿面碳化物易于超标和齿面硬度偏低进行工艺优化。18CrNiMo7-6和20CrNi2Mo钢热处理工艺曲线见图3。

18CrNiMo7-6钢的输出齿轮采用1.05%碳势强渗20h和0.80%碳势扩散10h；二次加热淬火并低温回火后测得渗碳层深度为2.8mm（550HV），齿面硬度61.2HRC，齿面碳化物为弥散分布颗粒状1级。

20CrNi2Mo钢的输入齿轮轴采用1.25%碳势强渗20h和0.90%碳势扩散10h，二次加热淬火后渗碳层深度为2.91mm（550HV），齿面硬度为60.3HRC，齿面碳化物为弥散分布颗粒状2级。

图3 18CrNiMo7-6和20CrNi2Mo钢齿轮热处理工艺曲线

1.20CrNi2Mo钢大型重载齿轮的深层渗碳工艺

例1，工业机械中的大型轧钢机、大型挖掘机及大型水泥磨机等重型机器中的大型齿轮，单件齿轮重量从数吨到数十吨。渗碳层深度一般要求3～5mm，最深可达8mm。

（1）渗碳工艺 由于齿轮渗碳层深度较深，相应渗碳周期长，最大可达150～200h。深层渗碳工艺既要快速渗碳以尽量缩短工艺周期，又要限制渗层碳含量过高，以避免不良碳化物的形成及过多残留奥氏体产生。对此，可采用计算机自动控制碳势。20CrNi2Mo钢人字齿轮的深层渗碳工艺见图4。

图4 20CrNi2Mo钢人字齿轮的深层渗碳工艺曲线

（2）工艺过程 装炉后750℃×2h进行预热→880～890℃排气并均温共4h→880～890℃×50h渗碳→升温930℃包括到温12h进行第一次扩散→930℃×56h第二次扩散→930℃×56h第三次扩散→炉冷至800℃出炉空冷。

例2：工业传动箱产品的齿轮，齿顶圆φ1485mm，齿宽422mm，渗碳层深度3.3～3.9mm。

渗碳采用大型井式渗碳炉φ1600mm×1800mm，该设备可根据不同渗碳层深度的工件编制相应的工艺程序而自动进行碳势、时间及过程控制。采用渗碳直接淬火工艺，对强渗和扩散期的碳势、时间、淬火温度和淬火前的碳势作了严格的规定。升温时适当控制升温速度，在850℃均温一定时间，升温至930℃均温0.5h后加入强渗，强渗期碳势为1.2%，扩散期碳势为0.85%，均温后碳势为0.73%，淬火温度为820℃，在60℃油中淬火，最后进行180℃低温回火。具体热处理工艺见图5。检验结果见表3。

图5 20CrNi2Mo钢齿轮渗碳直接淬火工艺

表3 检验结果

2.20CrNi2Mo渗碳钢连续炉渗碳工艺

20CrNi2Mo钢在汽车制造行业，主要是针对大功率发动机的使用而开发的重型汽车驱动桥弧齿锥齿轮渗碳钢。20CrNi2Mo钢中含Ni量较高，通过中冷双排连续式渗碳炉进行渗碳、缓冷和再加热淬火，并采用适当碳势、适当温度和较长周期的渗碳淬火工艺，降低残留奥氏体量，使工件的金相组织达到产品技术要求，因此，可实现部分含Ni较高工件的大批量渗碳直接淬火。

表4与表5分别为东风汽车集团公司某热处理厂采用中冷双排渗碳炉处理20CrNi2Mo试样（160mm×50mm×16mm）工艺参数与检验结果。

表4 20CrNi2Mo钢工艺参数

通过表4看出，20CrNi2Mo试样经过渗碳、扩散后在中冷室用纯度99.5%（质量分数）的N2进行冷却，降温至550℃后再进行二次加热奥氏体晶粒细化后，可获得更加细小的晶粒度和显微组织，晶粒度由7～9级提高至9级，弯曲疲劳强度由560MPa提高至800MPa，提高弯曲疲劳强度30%。

表5 20CrNi2Mo钢检验结果

四、20CrNiMo钢齿轮的渗碳工艺方法

国产20CrNiMo钢（相当于美国牌号SAE8620钢），已经广泛用于重型汽车驱动桥主动弧齿锥齿轮及重型变速器齿轮等。

例1：重型汽车驱动桥主动弧齿锥齿轮，材料为20CrNiMo钢，热处理要求：渗碳淬火有效硬化层深度1.70～2.10mm，齿面硬度58～64HRC，金相组织为碳化物、马氏体及残留奥氏体均≤5级。

（1）齿轮锻坯等温正火工艺 加热860～880℃×2～3h→经强风冷却3～5min→等温600～620℃×2～3h。锻坯正火硬度160～180HBW，金相组织铁素体+珠光体，组织均匀，硬度适中。

（2）齿轮渗碳淬火工艺 20CrNiMo钢主动弧齿锥齿轮双排连续式渗碳炉渗碳淬火工艺见表6。

表6 双排连续式渗碳炉渗碳工艺

（3）检验结果 碳化物0～1级，马氏体、残留奥氏体1～3级，渗碳淬火有效硬化层深度1.80～1.95mm，齿面硬度60～64HRC。

例2：转向器齿轮，材料为20CrNiMo钢，要求渗碳淬火。

（1）热处理工艺及设备 渗碳淬火采用可控气氛多用炉。20CrNiMo钢齿轮渗碳工艺见图6。渗碳工艺参数见表7。

图6 20CrNiMo钢齿轮热处理工艺

表7 20CrNiMo钢齿轮渗碳工艺参数 （%）

渗碳：920℃×4.5h，淬火：840℃×0.5h，淬火采用好富顿G油（油温80℃）。采用氧探头控制碳势，红外仪测定j（CO）并动态补偿，CH4监视报警，CO2监视报警。

（2）检验 渗碳层深度0.70～0.75mm，表面硬度58～63HRC，心部硬度35～42HRC，表面金相组织为回火马氏体+极少量残留奥氏体+极少量颗粒状碳化物（1级），心部为低碳马氏体+铁素体（1级）。

五、20Cr2Ni4A钢齿轮热处理工艺

20Cr2Ni4A钢含有较多Ni元素，材料强韧性高，常用于坦克等重负荷齿轮，要求碳氮共渗处理。

（1）高浓度碳氮共渗“三段控制”工艺 其热处理工艺曲线见图7。

图7 高浓度碳氮共渗“三段控制”工艺曲线

（2）工艺效果 经检验，共渗层厚度1.1mm，碳氮化合物层是呈弥散分布的碳氮化合物组织，其淬火组织中的残留奥氏体量较少。

由于采用“三段控制”直接淬火工艺，生产效率得到提高。因渗碳温度低，并在渗碳后直接淬火，因此齿轮热处理畸变减小。